基于AD7896的激光器出射功率測量與控制設計

　0 引 言

　　現代數碼激光彩色沖印系統是將存儲在計算機中含有光電信號的圖像信息轉換成激光束控制信號，分別控制R，G，B三支半導體激光器發出不同強度的激光束，再會聚成各種色彩對感光相紙進行逐行掃描而成像。雖然半導體激光器所發出的激光具有單色性好，方向性好，發射角小，輸出功率大，工作穩定，壽命長，使用方便等眾多優點；但激光作為現代數碼彩色沖印系統中感光相紙的光源，每一支半導體激光器都會受周圍溫度變化和本身壽命等的影響，這種影響會直接反映到所沖印彩色照片的色彩層次、輪廓、清晰度、鮮艷度等。為了有效防止半導體激光器出射光功率的變化對沖印照片造成的色彩失真，提高沖印照片的色彩純真度，通過自動測量并自動控制R，G，B三支半導體激光器的出射功率，可以保證系統沖印彩色照片的質量，同時可大大減少系統設備的維護維修時間，提高服務能力和經濟效益。

　　1 系統原理

　　1．1 半導體激光器結構原理

　　半導體激光器的電氣符號及其結構如圖1所示。它由激光發射部分LD和激光接收部分PD構成。LD和PD封裝在一個管殼中，共用一個公共端點，并與管子的金屬外殼相連。激光驅動電壓分別經過一個電阻接入激光器第1腳和第3腳，可控制LD的工作電流和PD受光后的轉換電流。由LD發出的激光強度暫且稱作發射功率。

　　1．2 半導體激光器功率測量與控制原理

　　半導體激光器是一種熱功率器件，在連續工作情況下結區溫度升高較快，閾值電流也相應發生變化。當溫度升高時，激光器發射功率隨之下降，發射出的激光會聚后，色彩信息與存儲文件包含的色彩信息偏差較大，因此有必要進行出射光補償。補償方法是在激光器前面加裝一個可通過步進電機調整的偏振鏡，調整偏振鏡的角度，以改變出射光強度(出射功率)，在激光器溫度變化較小的范圍內(另有半導體制冷裝置調節)適當地加大發射功率，可通過偏振鏡調整輸出與存儲文件中相對應的光強度信息，從而保證輸出激光對相紙掃描曝光的失真。

　　1．3 測量控制系統框圖

　　測量控制系統中的主要硬件電路由微處理器AT89C52、光電探測器(每支激光器發射口和出射口各1個)、放大電路、12位ADC轉換電路、步進電機控制模塊等組成，其基本框圖如圖2所示。

　　驅動電路提供半導體激光器所需要的工作電流；光電探測器測量激光發射功率和出射功率的變化；放大電路對所采集的微弱電壓變化信號進行放大，以適合ADC轉換；微處理器AT89C52接收到ADC轉換后的數字信息，再通過軟件與設定值比較，發出PWM脈沖控制信號，驅動步進電機動作，以改變激光器出射處偏振鏡的偏轉角度，調整半導體激光器的出射功率達到穩定。

　　1．4 AD7896特性及工作模式

　　AD7896是生產的一種低功耗12位高速串行A／D轉換器。該產品有8腳Plastic DIP，Lead Cerdip和SOIC三種封裝形式，且帶有內部時鐘。它的外圍接線極其簡單，AD7896的轉換時間為8μs，采用標準SPI同步串行接口輸出和單一電源(2．7～5．5 V)供電。圖3是AD7896工作在高速模式時的時序圖。在此模式下，啟動信號CONVST一般處于高電平。當CONVST輸入一個負脈沖，其下降沿將啟動一次轉換．該信號觸發BUSY由低電平變為高電平，并標記轉換正在進行。經過最大8μs時間后轉換結束，BUSY自動從高電平變為低電平，然后用16個時鐘脈沖讀出轉換數據進行存儲，時鐘脈沖頻率最大為10 MHz(+5 V供電)，讀出數據時間最短為1．6μs，再經過400 ns時間等待，在下一次轉換開始時，數據串行移位輸出，整個轉換時間最短為10μs。

　　2 硬件電路的設計

　　2．1 放大電路的設計

　　由于半導體激光器起振產生激光的電流很小，且在正常工作時一般僅數微安至數十毫安，所以選用性能價格比較高的AD707作為減法運算放大器。圖4為實際的應用放大電路。圖4中JGT為紅色激光器光電探測器輸出端(連接在激光器第3腳)，經電阻R1輸入到運算放大器AD707的同相端，反相端通過R40構成反饋電路，電路中R34和R22構成的分壓電路為反相輸入端，用以提供電壓μA。該電壓可通過調整R34校準三基色的比例。JGT采樣到的電壓信號uJGT經減法運算后從AD707第6引腳輸出，其大小為：

　　集成運放采用雙電源+8 V和-8 V供電，可有效降低輸出電壓噪聲，提高系統的穩定性。

　　2．2 ADC轉換電路的設計

　　ADC轉換電路見圖5。

　　用一片CD4051分別對RGB三支激光器的6個采樣信號進行選通，由Y0輸出送入AD7896進行轉換。其中，LDR，LDG，LDB為激光器發射端的探測電壓放大值；LDRO，LDGO，LDBO為激光器出射端的探測電壓放大值，選通信號由單片機AT89C52的P10，P11，P12控制。各路激光探測電壓通過ADC轉換后的數值與存放在AT24C08(圖中未畫出)的標準值(校準激光出射光強度使用)進行比較，若由激光出射端測得的電壓大于標準值時，則控制步進電機正轉，以減小激光出射光；若由激光出射端測得的電壓小于標準值時，則控制步進電機反轉，以增加激光出射光。步進電機的控制由AT89C52的P0口輸出PWM脈沖來控制。

　3 軟件設計

　　整個系統軟件的設計主要包括采樣信號的選通控制、ADC7896中模擬串行總線接口的程序控制、步進電機PWM輸出控制，以及數值分析與邏輯處理等，其流程圖如圖6所示。

　　軟件設計充分考慮了生產調試和日后維修的方便。由于三支激光器的性能差異較大，調試時需根據激光器提供的參數，校準出正確的三基色比例值，校準后存入AT24C08芯片中，供工作時取出該值與當前激光器發射光強度數字化后的值進行比較，若偏離，則自動通過偏轉鏡進行校正。

　　以下是AT89C52與AD7896的模擬通信匯編程序，端口定義：

　　4 結 語

　　在此所述的基于AD7896的半導體激光器出口功率的測量與控制設計是某數碼設備開發公司的一個委托項目，經過一年的開發，主要解決了國內同類型機器在激光掃描相紙成像過程中，因激光出射功率的變化，對沖印照片色彩的影響，同時也解決了日后機器的維護維修以及方便調整等問題。對半導體激光器的使用壽命有一定的提高，對我國數碼沖印設備的發展也具有較好的推廣價值。

　　該文的創新點：對激光的功率測量采用2路光電探測器，1路為發射激光功率測量，1路為出射功率測量；對激光出射功率的調整采用步進電機帶動偏振鏡旋轉調節，非常適合激光器電流不固定的掃描應用；激光器正常使用的標準電壓值存于ROM存儲器，監測發生變化后由微處理器控制調節，且激光器使用一段時間后可根據現狀實時改變該值，大大方便了維護與維修。