激光器驱动与控制电路设计 第4页3.2.2 温度控制原理
在本次设计中，CPU并不对TEC起直接控制，而是根据应用原理，和电路原理图，搭建外围电路，通过外围电路来实现温度的设定，电源开启后，TEC自行把目标物体的温度控制在所设定的温度值上。本次设计所使用的是一款驱动模块，我们只要知道如何有效的利用即可，无需明确其内部具体结构。TEC原理图和温度设定对应电阻的算法如图3-3所示，其内部结构是由放大器搭建而成的带有反馈的闭环控制器，通过传感器感知TEC表面温度后，反馈回来进行比较从而有效调节TEC表面电流。该模块是一个自闭环的模块，无需外界编程操作，通过一个设定电阻就可以自动稳定在相应温度，并且有电压监控输出端，以便CPU检测当前实际温度值。
图3-3 TEC控制器结构图
图 3-4 标准电阻电流对应表 图3-5 限流电阻对应表一 图3-6 限流电阻对应表二
TEC工作原理如上所述，电流从TEC的一侧流向另一侧产生等冷侧和热侧，根据实际要求，激光器的滤波片和倍频晶体的温度应该稳定在40.9摄氏度和39.5摄氏度。首先要测量外围电路的，然后根据标准电阻电流对应表或其上的计算公式算出，这个就是温度偏置电流，用这个电流和热敏电阻的阻值相乘可得出一个电压，这个电压就是温度设置电压，如果设置了这个电压，那么此温度模块将会利用TEC把温度设置在当前热敏电阻的温度上，那么在外围电路上作了这样的处理后，TEC驱动可自行稳定激光器的工作温度，而CPU只是对TEC驱动反馈回的温度电压信号经过AD转换后进行监测，如有发现异常立即切断激光器电源以保护激光器。
本次设计中要利用TEC驱动控制并监测激光器的滤波片和倍频晶体温度，因此用到两个TEC驱动模块，TEC驱动传出的电压信号传入AD转换器，然后作出相应监控。
机壳的温度也是激光其能否正常运转的关键参数，然而机壳的温控方案不是采用TEC，而是一个热敏电阻，机壳的温度由此电阻来体现，所以应当给此电阻通以恒定电流，当温度变化时热敏电阻的阻值会发生变化，电流不变则会产生一个变化的电压信号，此信号就反映了机壳的温度。机壳热敏电阻是一个负温度系数的电阻，随着温度升高，输出的电压会减小，下图是横流源的原理图，我们使用的是专用的横流产生芯片。
式（3-1）
式（3-2）
式（3-3）
图3-7 横流源原理图
实际方案中的电阻是25摄氏度时阻值10千欧，因此为了能让AD顺利地捕捉到电压信号，横流源输出电压应小于0.5mA。从而根据计算公式，算出应使用R1=335欧, R2=3350欧的电阻。横流源本身电流会因外界温度变化而变化，加上R1电阻和R2电阻和二极管，就可以构成抵消横流源的温度漂移的零温度系数恒流源。该横流源为正温度系数的器件，而硅二极管的正向偏压为负温度系数。当R1/R2=1/10时，恒流源的温度系数为零。当然，实际恒流源电路的温度系数只是接近零，要想获得更好的结果，可以在规定的温度范围内测试的温度系数。如果测得的温度系数为正，就应减少R2的值。如果测得的温度系数为负，就应增加R2的值。从这里我们也可以得到一个启发，利用这个电路我们可以设计一个所需温度系数的恒流源电路，这在一些温度补偿电路中是非常有用的。
3.3功率稳定原理
3.3.1 功率稳定PID算法
本次设计任务的重中之重，也是用户是否能正常使用的关键问题在于光功率稳定的问题，激光功率要想高效而稳定的工作，倍频晶体和滤波片的温度要非常稳定是一方面，最主要的一方面是如何能有效的调节激光电源的的电流输出，如何根据给定量，反馈量来对激光电流及时作出调节而且要稳定及时。
在自动控制技术中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)微分(D)控制， 简称为PID，常规PID控制系统原理框图如图 14所示，系统由PID控制器和被控对象组成。其简单易用而且可以收到很理想的效果，被称为控制算法的“万金油”，绝大多数的系统都适用。 图3-8 模拟PID控制结构
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值得r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)得出e(t)=r(t)-c(t)的公式，然后将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：
式（3-4）
其中：KP为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；U(t)为PID制器输出；e(t)为控制误差。传递函数可得：
式（3-5）
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