一种基于DSP的CO和N2O检测连续式QCL驱动器

一种基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器
技术领域
1.本发明涉及一种用于检测大气中co和n2o的连续式qcl(量子级联激光器)的驱动器，属于co和n2o检测技术领域。


背景技术：

2.n2o是一种极为重要的温室气体，它在大气中的平均浓度低，但产生的温室效应却很强，而且n2o在对流层中没有明显的损耗机制，寿命很长；co也是导致全球变暖和大气污染的重要来源，是大气观测的重要参数之一，也被认为是一种间接的温室气体。因此，研究大气中co和n2o的检测技术具有重要意义。
3.量子级联激光器(qcl)是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。不同与传统pn结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，qcl受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。qcl引领了半导体激光理论、中红外和thz半导体光源革命，是痕量气体监测和自由空间通信的理想光源。
4.量子级联激光器是一种基于子带间电子跃迁的中红外波段单极光源，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同。其激射方案是利用垂直于纳米级厚度的半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态，在这些激发态之间产生粒子数反转，该激光器的有源区是由耦合量子阱的多级串接组成(通常大于500层)而实现单电子注入的多光子输出。
5.量子级联激光器的出现开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河，在中、远红外半导体激光器的发展史上树立了新的里程碑。能够在室温下连续工作的第一只中红外qcl于2002年研制成功，它的出现极大地推动了中红外量子级联激光器(mir-qcl)的现实应用。
6.激光器的发光特性与检测系统的检测下限、灵敏度以及运行稳定性等有着密切的联系，因此研制高性能的qcl驱动器有利于激光器稳定高效工作进而保证整套检测系统的性能指标。一般来说，针对不同工作模式的qcl，有脉冲式驱动器和连续式驱动器两种，前者电流脉冲持续时间为几微妙甚至几纳秒，后者驱动电流持续时间一般为毫秒级以上。
7.对于商品化的qcl驱动器来说，虽然性能优良使用方便，但一般体积较大价格昂贵，不利于痕量气体检测系统的小型化集成。很多研究者也开发了许多小型的单板驱动器来满足自己的检测系统需求。2014年，刘飞等人设计了一款用于微型激光推动无人机的高精度qcl驱动器，包含了反馈的压控恒流源模块和保护电路模块；同年郑明杰设计了一款用于非接触式气体识别电子鼻系统的qcl驱动器，包含了基于dsp的控制模块和负反馈的压控恒流源模块等，并使用了pid控制算法来控制电流稳定。相比商用的驱动器，上述驱动器功能略显不足，但小型化、低成本以及适合自己系统的各项性能要求使其更容易集成更具有实用价值。
8.目前，市场上亟需一种小型化集成保护qcl安全并且提供高稳定度的驱动电流的
驱动器。


技术实现要素：

9.本发明针对现有qcl驱动器技术存在的不足，提供一种基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，以满足co和n2o的测量要求，保护qcl(量子级联激光器)的安全并且提供高稳定度的驱动电流。用于检测大气中co和n2o
10.本发明的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，采用以下技术方案：
11.该qcl驱动器，包括dsp主控单元、供电系统、驱动波形产生电路、压控恒流源电路、过流保护电路、电流检测及优化控制电路以及温度控制电路；
12.dsp主控单元，用于控制数模转换器(dac)和直接数字频率合成器(dds)产生驱动波形所需的信号，同时控制模数转换器(adc)进行模数转换，并集成fuzzy-pid控制算法对输出驱动电流进行优化；
13.供电系统，用于为各电路进行供电，带有软启动保护，为压控恒流源电路提供软启动保护，减少上下电时对qcl激光器的伤害；
14.驱动波形产生电路，用于生成具有两种调制深度的驱动电压信号，使co和n2o的吸收调制系数m均为2-2.4，提高两种气体的检测下限；
15.压控恒流源电路，用于利用深度负反馈原理将驱动电压信号转为电流信号，输出高稳定度的驱动电流；
16.过流保护电路，通过高边驱动在过流现象发生时以纳秒级的速度切断回路，保证qcl激光器的安全；
17.电流检测及优化控制电路，利用模数转换器(adc)对驱动电压信号进行采样，同时在dsp中利用自适应fuzzy-pid算法进行优化，保证在不同环境下都能输出高稳定度的驱动电流进而保证了qcl激光器波长的稳定；
18.温度控制电路，对qcl激光器内置的半导体制冷器(tec)进行高精度温度控制，保证qcl激光器工作时温度的稳定。
19.其中，本发明的关键在于双调制驱动波形产生电路，纳秒级过流保护电流和基于fuzzy-pid的电流优化控制。
20.所述供电系统，包括：
21.ad-dc变换器，将220v交流电压转化为24v直流电压；
22.ldo带有软启动功能的线性稳压器模块，将24v直流电压降压为更低纹波的18v直流电压直接作用到qcl激光器两端，并且使电源上下点时无尖峰脉冲，达到保护qcl激光器的目的；
23.dc-dc开关电源模块，将24v直流电压降压为5v和12v直流电压。
24.所述驱动波形产生电路，包括：
25.dac数模转换器，与dsp主控单元连接，用于产生恒流源所需的直流电压信号和低频锯齿波信号；
26.dds直接数字频率合成器，与dsp主控单元连接，用于产生两种高频正弦波信号；
27.数字电位器，接受dds产生的两路高频正弦波信号，生成两路幅值不同的正弦信号；
28.高速多路复用器，用于两路幅值不同的正弦信号进行来回选择输出；
29.加法器，经高速多路复用器后的两路幅值不同的正弦信号与dac生成的低频锯齿波信号相加，产生双调制深度的驱动信号。
30.所述恒流源电路和过流保护电路，包括：
31.高精度运算放大器，通过接受反馈电流压控制mosfet栅极电压，使恒流源的电流稳定度达到纳安级别；
32.mosfet，大功率增强型n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极电压受运算放大器控制，达到使恒流源工作在恒流区的目的；
33.采样电阻，选用2ω的高精密金属膜无感电阻；
34.瞬态抑制二极管(tvs)，有静电出现时，超高电压会迅速将其击穿，电流会直接经过其所在支路接地，以保护qcl激光器的安全；
35.肖特基二极管，释放cw-qcl上的浪涌电压并且吸收反向电流；
36.钽电容，消除cw-qcl的电感效应，防止qcl激光器pn结的电压突变；
37.缓冲电阻，减小mosfet栅极的输入阻抗，减少振荡；
38.电流检测放大器，通过检测采样电阻两侧的电压差得到电流大小，放大10倍后信号进入电压比较器；
39.电压比较器，通过比较输入电压和阈值电压来产生输出信号，输入电压大于阈值电压则输出5v高电平，反之则输出0v低电平；其轨对轨输出直接驱动cmos或ttl电平；
40.运算放大器，用于电压跟随器电路，保证输入和输出电压一致；
41.高边驱动单元，通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，由npn三极管、开关mosfet和上拉电阻构成，当过流现象发生时，恒流源断开，反之mosfet正常开启导通，恒流源正常工作；
42.采样电阻，通过采样电阻来测量电压差，进而判断是否发生过流现象，选用100mω的金属膜无感电阻。
43.所述电流检测及优化控制电路(fuzzy-pid控制器)，包括：
44.模糊控制模块：由模糊化、模糊推理、解模糊以及规则库构成，以误差量e(t)和误差变化率ec作为输入语言变量，以参数变化量δk
p
、δki和δkd作为模糊控制器的输出，对pid控制器的k
p
、ki、kd三个参数进行动态的整定；
45.pid控制器，达到优化输出电流的目的；
46.qcl g1(s)，作为被控对象，视为被优化的输出驱动电流。
47.上述fuzzy-pid控制器，相较传统pid控制器，融合了模糊控制理论，利用其鲁棒性好，动态特性优秀等特点。可以让pid参数能够自适应不同的电流区间，获得更精准的电流控制效果。
48.上述qcl驱动器的基本工作原理如下所述：
49.dsp主控单元控制dac和dds产生低频锯齿波和两种高频正弦波，两种正弦波经过数字电位器和高速复用器后与低频锯齿波相加，输出双调制深度的驱动电压信号，进入压控恒流电路，经过高精密的采样电阻，保证输出驱动电流精度，负反馈的电路结构保证了输出电流能一直维持在高稳定状态；其中的纳秒级的过流保护电路，电流检测放大器检测采样电阻两侧电压后，经高速比较器后，将信号传给高边驱动单元，进而通过控制开关管的开
关来控制恒流源通断，实现纳秒级高速过流保护的目的；fuzzy-pid控制算法使pid参数自适应不同电流区间，达到更为精准的驱动电流控制效果。温度控制电路中，集成了pi控制算法的温控芯片通过热敏电阻返回的温度值向tec注入电流来实现温度的精准控制。
50.本发明采用双调制驱动信号产生电路，使co和n2o两种气体的吸收谱线均处于最佳调制深度，引入可以改变阈值电流的纳秒级过流保护电路，以“高速”为设计核心，采用高边驱动技术，使恒流源电路在发生“过流”现象时快速的切断回路保护激光器，为获得更精准的电流控制效果，引入了fuzzy-pid复合控制理论。
51.本发明具有以下特点：
52.(1)通过采用两种调试深度的分段调制驱动信号，使co和n2o气体吸收调制系数都达到2.2左右，改善了多气体检测时只能优化一种气体吸收的情况。
53.(2)纳秒级过流保护电路采用高速运算放大器、高速比较器、高速电流检测放大器和高边驱动单元，保证信号传输精度高，传播延迟时间短，使恒流源电路在发生“过流”现象时快速的切断回路保护激光器。
54.(3)fuzzy-pid控制算法将模糊控制理论和pid算法结合起来，使pid参数自适应不同电流区间，达到更为精准的电流控制效果。
附图说明
55.图1是本发明基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器的组成原理示意图。
56.图2是本发明中供电系统的原理示意图。
57.图3是本发明双调制深度的驱动信号产生电路的原理示意图。。
58.图4是本发明中恒流源电路和纳秒级过流保护电路的原理示意图。
59.图5是本发明中电流检测及优化控制电路(fuzzy-pid控制器)的原理框图。
60.图4中：1.高精度运算放大器，2.mosfet，3.采样电阻，4.瞬态抑制二极管(tvs)，5.肖特基二极管，6.钽电容，7.缓冲电阻，8.电流检测放大器，9.电压比较器，10.运算放大器，11.高边驱动单元，12.采样电阻。
具体实施方式
61.本发明中，为满足co和n2o的测量要求，选用连续式量子级联激光器(cw-qcl)。这种激光器造价高、驱动电流大且激光波长易受发热量的影响而发生飘逸现象，为了保护激光器的安全并且提供高稳定度的驱动电流，设计了一款基于dsp的cw-qcl的驱动器。
62.如图1所示，本发明的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，包括dsp主控单元、带软启动保护的供电系统、双调制深度的驱动信号产生电路、压控恒流源电路、纳秒级过流保护电路、电流检测及优化控制电路以及高精度温度控制电路。本发明中dsp主控单元作为qcl驱动器的核心部分，控制数模转换器(dac)和直接数字频率合成器(dds)产生驱动波形所需的信号的，同时控制模数转换器(adc)进行模数转换，并集成fuzzy-pid控制算法对输出驱动电流进行优化。以下对各部分详细说明。
63.1.dsp主控单元
64.dsp作为主控单元，是整个qcl驱动器的核心部分，控制数模转换器(dac)和直接数字频率合成器(dds)产生驱动波形所需的信号，并且集成了fuzzy-pid算法对输出电流进行
优化控制。
65.dsp主控单元控制dac和dds产生低频锯齿波和两种高频正弦波，两种正弦波经过数字电位器和高速复用器后与低频锯齿波相加，输出双调制深度的驱动电压信号。进入压控恒流电路部分，经过高精密的采样电阻，保证输出驱动电流精度，负反馈的电路结构保证了输出电流能一直维持在高稳定状态。其中的纳秒级的过流保护电路，电流检测放大器检测采样电阻两侧电压后，经高速比较器后，将信号传给高边驱动单元来，进而通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，实现纳秒级高速过流保护的目的。fuzzy-pid控制算法使pid参数自适应不同电流区间，达到更为精准的驱动电流控制效果。温度控制电路中，集成了pi控制算法的温控芯片通过热敏电阻返回的温度值向tec注入电流来实现温度的精准控制。
66.2.供电系统
67.供电系统主要为各部分电路进行供电，可以为恒流源电路提供软启动保护，减少上下电时对激光器的伤害；驱动波形产生电路可以生成具有两种调制深度的驱动电压信号，使co和n2o的吸收调制系数m均为2.2左右(2-2.4)，提高了两种气体的检测下限。
68.如图2所示，供电系统包括以下几个部分：
69.ad-dc，将220v交流电压转化为24v直流电压；
70.ldo，带有软启动功能的线性稳压器模块，将24v直流电压降压为更低纹波的18v直流电压直接作用到激光器两端，并且可以使电源上下点时无尖峰脉冲，达到保护激光器的目的。
71.dc-dc，开关电源模块，将24v直流电压降压为5v和12v直流电压，效率更高功率更大，为整个系统其他部分进行供电。
72.本发明在供电系统前端，使用ac-dc电源模块将220v交流电压转化为24v直流电压；电源后端则分为两部分，一部分为带有软启动功能的线性稳压器(ldo)模块，将24v降压为更低纹波的18v直流电压直接作用到激光器两端，另一部分为开关电源(dc-dc)模块，将24v降压为5v和12v，效率更高功率更大，为整个系统其他部分进行供电。
73.3.双调制深度的驱动信号产生电路
74.双调制驱动信号可以使co和n2o两种气体吸收调制系数都达到2.2左右，实现了在多气体检测时同时优化两种气体吸收的情况。
75.如图3所示，双调制波形产生系统包括以下几个部分：
76.dsp，作为主控单元，控制dac和dds产生驱动波形所需的信号；
77.dac，数模转换器产生恒流源所需的直流电压信号和低频锯齿波信号；
78.dds，直接数字频率合成器产生两种高频正弦波信号；
79.数字电位器，接受dds产生的两路高频正弦波信号，生成两路幅值不同的正弦信号
80.高速多路复用器，两路幅值不同的正弦信号经过高速多路复用器后可进行来回选择输出；
81.加法器，经高速多路复用器后的两路幅值不同的正弦信号与dac生成的低频锯齿波信号相加，产生双调制深度的驱动信号。
82.dsp主控单元控制dac产生恒流源所需的直流电压信号和低频锯齿波信号，控制dds产生两种高频正弦波信号。数字电位器在接受dds产生的两路高频正弦波信号后，生成两路幅值不同的正弦信号，经过高速多路复用器后可进行来回选择输出；经高速多路复用
器后的两路幅值不同的正弦信号与dac生成的低频锯齿波信号相加，产生双调制深度的驱动信号。
83.4.恒流源电路和过流保护电路
84.流源电路利用深度负反馈原理将驱动电压信号转为电流信号，输出高稳定度的驱动电流。过流保护电路是驱动器的另一核心部分，它采用高边驱动技术在过流现象发生时以纳秒级的速度切断回路，保证激光器的安全。
85.如图4所示，压控恒流源和纳秒级过流保护，包括以下几部分：
86.高精度运算放大器1，通过接受反馈电流压控制mosfet栅极电压，使恒流源的电流稳定度达到纳安级别；
87.mosfet2，大功率增强型n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极电压受运算放大器控制，达到使恒流源工作在恒流区的目的；
88.采样电阻3，采样电阻的精密程度决定着反馈电压的变化程度，对恒流源的输出电流精度有着重要影响。而且连续型驱动器长时间工作在大电流状态，对采样电阻要求较高，故选用2ω的高精密金属膜无感电阻；
89.瞬态抑制二极管(tvs)4，有静电出现时，超高电压会迅速将其击穿，电流会直接经过其所在支路接地，看可以很好保护激光器的安全；
90.肖特基二极管5，释放cw-qcl上的浪涌电压并且吸收反向电流；
91.钽电容6，高频特性好可以消除cw-qcl的电感效应，防止激光器pn结的电压突变；
92.缓冲电阻7，减小mosfet栅极的输入阻抗减少振荡；
93.电流检测放大器8，通过检测采样电阻两侧的电压差得到电流大小，放大10倍后信号进入电压比较器；
94.电压比较器9，通过比较输入电压和阈值电压来产生输出信号，输入电压大于阈值电压则输出5v高电平，反之则输出0v低电平。其轨对轨输出可直接驱动cmos或ttl电平；
95.运算放大器10，用于电压跟随器电路，保证输入和输出电压一致；
96.高边驱动单元11，高边驱动技术就是通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，主要由npn三极管、开关mosfet和上拉电阻构成。当过流现象发生时，恒流源断开，反之mosfet正常开启导通，恒流源正常工作；
97.采样电阻12，通过采样电阻来测量电压差，进而判断是否发生过流现象，选用100mω的金属膜无感电阻。
98.当驱动电压信号从运放正向输入端输入时，mosfet 2的栅源电压大于开启电压，mosfet 2导通，工作在恒流区，此时负反馈回路构成，因此可由运放的虚短虚断特性判断：
99.u
+
＝u
_
100.所以，激光器的驱动电流直接受驱动电压u+控制。该电路的负反馈控制过程为：由公式可知，当ilaser增大时，u-也随之增大，于是(u+-u-)减小，由运放特性可知此时运算放大器1输出电压减小，即mosfet 2栅极电压减小，当工作在恒流区时，栅源电压减小，则ir＝id相应减小(其中id为流过mosfet 2源极的电流，ir为流过采样电阻3的电流)，进而使u-减小，ilaser减小得以恢复原值。当ilaser减小时，原理与上述一致，因此输出电流能一直维持在高稳定状态，保证了对cw-qcl的安全驱动。当有静电出现时，超高电压会迅速将瞬态抑制二极管(tvs)4击穿，电流会直接经过其所在支路接地，很好的保护了激光器的安全；而肖
特基二极管5则是用来释放cw-qcl上的浪涌电压并且吸收反向电流；钽电容6的高频特性好可以消除cw-qcl的电感效应并且防止激光器pn结的电压突变；缓冲电阻7可以减小mosfet2栅极的输入阻抗，减少振荡。
101.在qcl激光器与恒流源电路之间设计一高精密采样电阻12，通过电流检测放大器8检测该电阻两端的电压差即可得到电流大小，固定10倍增益输出；电压信号后进入超高速电压比较器9，可以轨对轨输出可直接驱动cmos或ttl电平，当输入信号大于阈值电压时输出5v高电平，反之输出0v低电平；最后经过比较器的输出信号通过跟随器10进入高边驱动单元11，高边驱动技术就是通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，主要由npn三极管、开关mosfet和上拉电阻构成。当过流现象发生时，电流检测放大器输出电压大于比较器阈值电压，输出5v高电平，此时三极管集电极正偏，发射极反偏，处于饱和导通状态，mosfet栅极电压迅速减小，mosfet断开即恒流源断开，进而保护激光器，而当驱动电压小于阈值电压时三极管处于截止状态，mosfet栅极电压接近5v，mosfet正常开启导通，恒流源正常工作。
102.5.电流检测及优化控制电路
103.电流检测及优化控制电路采用“异地”隔离思想，利用高速模数转换器(adc)对驱动信号进行采样，同时在dsp中利用自适应fuzzy-pid算法对其进行优化，保证在不同环境下都能输出高稳定度的驱动电流进而保证了激光器波长的稳定。
104.如图5所示，电流检测及优化控制电路(fuzzy-pid控制器)，包括以下几部分：
105.模糊控制模块，其主要由模糊化、模糊推理、解模糊以及规则库构成，以误差量e(t)和误差变化率ec作为输入语言变量，以参数变化量δk
p
、δki、δkd作为模糊控制器的输出，对pid控制器的k
p
、ki、kd三个参数进行动态的整定；
106.pid控制器，作为传统控制算法，有结构简单，控制效果好等特点，可以达到优化输出电流的目的；
107.qcl g1(s)，作为被控对象，可视为被优化的输出驱动电流。
108.kp、ki、kd是pid控制器的三个控制参数，其过程是根据理论值和实际输出值
109.为了使输出电流稳定，只需要对kp、ki、kd三个参数进行整定即可。模糊控制理论具有很强的鲁棒性和优秀的动态特性，本发明中的模糊控制模块，其主要由模糊化、模糊推理、解模糊以及规则库构成，以误差量e(t)和误差变化率ec作为输入语言变量，以参数变化量δk
p
、δki、δkd作为模糊控制器的输出，对pid控制器的k
p
、ki、kd三个参数进行动态的整定，以消除超调量，保证了快速的调节时间，使整个系统更加稳定。
110.采用的fuzzy-pid控制器，相较传统pid控制器，融合了模糊控制理论，利用其鲁棒性好，动态特性优秀等特点。可以让pid参数能够自适应不同的电流区间，获得更精准的电流控制效果。
111.6.温度控制电路
112.温度是驱动激光器的关键因素，影响激光器的发光功率和发光波长，并且cw-qcl发热较大，导致其散热和控温都更为困难，因此本发明中的温控系统选择了商用的温控芯片对激光器进行控温，在激光器封装内部集成了tec和热敏电阻，温控芯片通过热敏电阻返
回的温度值向tec注入电流，tec是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的，当电流正向通过时发热，反向流过时制冷，控制电流方向就可控制tec温度进而控制激光器温度。
113.温度控制电路以半导体制冷器(tec)控制器为核心对cw-qcl内置的tec进行高精度控制保证激光器工作时温度的稳定。
114.7.adc采集模块
115.首先，利用高速模数转换器(adc)对驱动信号进行采样，同时在dsp主控单元中利用自适应fuzzy-pid算法对其进行优化，保证在不同环境下都能输出高稳定度的驱动电流进而保证了激光器波长的稳定；
116.然后，同时通过adc采集激光器温度的返回值，进而可以实时观察激光器温度是否正常，调节温度通过dac远程输出电压，保证温度控制的精度，有利于保护激光器的安全。
117.本发明的关键点在于双调制驱动波形产生电路，纳秒级过流保护电流和基于fuzzy-pid的电流优化控制。
118.电流和温度是驱动激光器的两大关键因素，两者都会影响激光器的发光功率和发光波长，其中温度的作用更为明显，并且cw-qcl发热较大，导致其散热和控温都更为困难，因此本发明中的温控系统选择了商用的温控芯片对激光器进行控温，并在温控芯片中集成了pi算法对温度进行精准控制。在激光器封装内部集成了tec和热敏电阻，温控芯片通过热敏电阻返回的温度值向tec注入电流，tec是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的，当电流正向通过时发热，反向流过时制冷，控制电流方向就可控制tec温度进而控制激光器温度。
119.本发明的主要特点在于：
120.1.驱动信号产生电路以dac、dds、数字电位器、高速多路复用器为恒流源提供双调制深度的驱动信号。由dds和数字电位器产生两路幅值不同的正弦信号与低频锯齿波相加，进而产生两种调试深度的分段调制驱动信号，可以使两气体吸收调制系数都达到2.2左右，改善了多气体检测时只能优化一种气体吸收的情况。
121.2.实现纳秒级的高速思想，过流保护电路主要由高速运算放大器、高速比较器、高速电流检测放大器、npn三极管及开关mosfet构成。其中电流检测放大器检测采样电阻两侧电压，其满量程精度高，带宽大；高速比较器传播延迟时间短，轨对轨输出可直接驱动cmos或ttl电平，并且可以灵活调节阈值电压；有高速运算放大器构成的电压跟随器起到缓冲、隔离、提高带负载能力的作用；最后高边驱动单元来通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，实现纳秒级高速过流保护的目的。
122.3.fuzzy-pid控制算法，主要是通过加入模糊控制理论，能够对pid控制参数进行动态整定，使之能够自适应不同的电流区间，提高控制精度，消除超调量，减小调节时间，获得更精准的电流控制效果，使本发明更好的适用于外部大气环境。

技术特征：
1.一种基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，其特征是，包括dsp主控单元、供电系统、驱动波形产生电路、压控恒流源电路、过流保护电路、电流检测及优化控制电路以及温度控制电路；dsp主控单元，用于控制数模转换器和直接数字频率合成器产生驱动波形所需的信号，同时控制模数转换器进行模数转换，并集成fuzzy-pid控制算法对输出驱动电流进行优化；供电系统，用于为各电路进行供电，带有软启动保护，为压控恒流源电路提供软启动保护，减少上下电时对qcl激光器的伤害；驱动波形产生电路，用于生成具有两种调制深度的驱动电压信号，使co和n2o的吸收调制系数m均为2-2.4，提高两种气体的检测下限；压控恒流源电路，用于利用深度负反馈原理将驱动电压信号转为电流信号，输出高稳定度的驱动电流；过流保护电路，通过高边驱动在过流现象发生时以纳秒级的速度切断回路，保证qcl激光器的安全；电流检测及优化控制电路，利用模数转换器对驱动电压信号进行采样，同时在dsp中利用自适应fuzzy-pid算法进行优化，保证在不同环境下都能输出高稳定度的驱动电流进而保证qcl激光器波长的稳定；温度控制电路，对qcl激光器内置的半导体制冷器进行高精度温度控制，保证qcl激光器工作时温度的稳定。2.根据权利要求1所述的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，其特征是，所述供电系统，包括：ad-dc变换器，将220v交流电压转化为24v直流电压；ldo带有软启动功能的线性稳压器模块，将24v直流电压降压为更低纹波的18v直流电压直接作用到qcl激光器两端，并且使电源上下点时无尖峰脉冲，达到保护qcl激光器的目的；dc-dc开关电源模块，将24v直流电压降压为5v和12v直流电压。3.根据权利要求1所述的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，其特征是，所述驱动波形产生电路，包括：dac数模转换器，与dsp主控单元连接，用于产生恒流源所需的直流电压信号和低频锯齿波信号；dds直接数字频率合成器，与dsp主控单元连接，用于产生两种高频正弦波信号；数字电位器，接受dds产生的两路高频正弦波信号，生成两路幅值不同的正弦信号；高速多路复用器，用于两路幅值不同的正弦信号进行来回选择输出；加法器，经高速多路复用器后的两路幅值不同的正弦信号与dac生成的低频锯齿波信号相加，产生双调制深度的驱动信号。4.根据权利要求1所述的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，其特征是，所述恒流源电路和过流保护电路，包括：高精度运算放大器，通过接受反馈电流压控制mosfet栅极电压，使恒流源的电流稳定度达到纳安级别；mosfet，大功率增强型n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其栅极电压受运算放大
器控制，达到使恒流源工作在恒流区的目的；采样电阻，选用2ω的高精密金属膜无感电阻；瞬态抑制二极管，有静电出现时，超高电压会迅速将其击穿，电流会直接经过其所在支路接地，以保护qcl激光器的安全；肖特基二极管，释放cw-qcl上的浪涌电压并且吸收反向电流；钽电容，消除cw-qcl的电感效应，防止qcl激光器pn结的电压突变；缓冲电阻，减小mosfet栅极的输入阻抗，减少振荡；电流检测放大器，通过检测采样电阻两侧的电压差得到电流大小，放大10倍后信号进入电压比较器；电压比较器，通过比较输入电压和阈值电压来产生输出信号，输入电压大于阈值电压则输出5v高电平，反之则输出0v低电平；其轨对轨输出直接驱动cmos或ttl电平；运算放大器，用于电压跟随器电路，保证输入和输出电压一致；高边驱动单元，通过控制开关管的开关来控制恒流源通断，由npn三极管、开关mosfet和上拉电阻构成，当过流现象发生时，恒流源断开，反之mosfet正常开启导通，恒流源正常工作；采样电阻，通过采样电阻来测量电压差，进而判断是否发生过流现象，选用100mω的金属膜无感电阻。5.根据权利要求1所述的基于dsp的co和n2o检测连续式qcl驱动器，其特征是，所述电流检测及优化控制电路，包括：模糊控制模块：由模糊化、模糊推理、解模糊以及规则库构成，以误差量e(t)和误差变化率ec作为输入语言变量，以参数变化量δk
p
、δk
i
和δk
d
作为模糊控制器的输出，对pid控制器的k
p
、k
i
、k
d
三个参数进行动态的整定；pid控制器，达到优化输出电流的目的；qcl g1(s)，作为被控对象，视为被优化的输出驱动电流。

技术总结
一种基于DSP的CO和N2O检测连续式QCL驱动器，包括DSP主控单元、供电系统、驱动波形产生电路、压控恒流源电路、过流保护电路、电流检测及优化控制电路以及温度控制电路；DSP主控单元用于控制DAC和DDS产生驱动波形所需的信号，同时控制ADC进行模数转换，并集成Fuzzy-PID算法对输出驱动电流优化；驱动波形产生电路生成具有两种调制深度的驱动电压信号，提高两种气体的检测下限；电流检测及优化控制电路利用ADC对驱动电压信号进行采样，保证QCL激光器波长的稳定。本发明改善了多气体检测时只能优化一种气体吸收的情况，保证信号传输精度高，达到更为精准的电流控制效果。到更为精准的电流控制效果。到更为精准的电流控制效果。


技术研发人员：李国林 贾漉鹏 董恩廷 张思雨 赵富理 刘雅婧 李嘉睿 宋一萌 赵浩
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/12