第二章 原理
2.3 改良的 12 位元類比數位訊號轉換模組
改良的 PIC18F4520 微處理器 12 位元類比訊號轉換模組將可轉換類比訊號 來源增加到十三個，在應用程式上有更多的通道可選擇，如【圖 2-2】所示。在 類比與數位輸出入腳位的設定上可重新調整，讓腳位選擇的設定更加線性化。為 了配合這樣的改變，相關 ADCON0 與 ADCON1 暫存器作了些許微調，亦多增 加 ADCON2 暫存器來完成相關的設定[9]。ADCON0 暫存器控制類比數位訊號轉 換模組的操作，ADCON1 與 ADCON2 暫存器則設定與輸入端相關的腳位功能。
圖 2-2 PIC12F4520 微處理器的 12 位元類比訊號轉換模組結構圖
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2.4 類比訊號轉換
當控制位元被設定是 1 時，類比訊號模組便開始進行轉換。若在訊號轉換完 之前控制位元被設定為 0 時，則進行中的轉換將會被拋棄，而且因為訊號資料尚 未完全轉換完成，類比訊號結果暫存器 ADRESH 與 ADRESL 的內容將不會被更 新。因此，結果暫存器將保持上一次轉換成功的類比訊號資料[9]。即使拋棄此次 的類比訊號轉換，仍需要等待兩個𝑇𝑇𝐴𝐴𝐷𝐷時間才能夠進行下一次的訊號轉換，其中 𝑇𝑇𝐴𝐴𝐷𝐷是將類比訊號轉換成每一個數位訊號位元所需要的時間。
類比訊號結果暫存器 ADRESH 與 ADRESL 是用來在成功轉換類比訊號後，
儲存 12 位元類比訊號轉換結果的記憶體位置。這兩個暫存器總共有 16 位元的長 度，但被轉換的結果只有 12 位元的長度，因此系統允許使用者自行設定將轉換 的結果使用向左或向右對齊的方式存入到這兩個暫存器中。對齊格式的示意圖如 所示。對齊的方式是使用控制位元 ADFM 所決定。至於多餘的位元會補為 0。
當類比訊號轉換功能被關閉時，這些位置可用來當作一般八位元暫存器。
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圖 2-3 類比訊號轉換結果對齊示意圖
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2.5
𝑽𝑽
𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹+、 𝑽𝑽
𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹− 與 ADC 的關係第三章 研發電路之方法與步驟
3.1 研發電路之方法
本研究特點是利用數位類比轉換來達到電流控制雷射輸出功率的目的，研究 架構如【圖 3-1】主要分為三個部分，分別是雷射電路設計、控制電路系統和可 程式化數位邏輯裝置(Programmable Logic Device,簡稱 PLD)。
圖 3-1 研究架構
整合、實驗、量測、紀錄、討論
數據結果 PLD 查閱資料
控制電路系統 雷射電路設計
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3.1.1 雷射電路設計
使用軟體工具為 AltiumDisigner 10(簡稱 AD10)，設計完成再用佈線、Layout 成雕刻圖檔，最後用雕刻機把電路雕刻出來。第一版設計使用元件包含微處理器 PIC18F4520、Max539、LM317、LM1117 以及 Switch。第二版增加元件有震盪 器、RS232、可調電阻、電源模組及開關控制元件。
3.1.2 控制電路系統
使用工具為 Microchip 旗下軟體 MPLAB XIDE，MPLAB IDE 是一套整合式 的發展平台。在 MPLAB 的架構下它提供多視窗文字編輯功能，可直接在 MPLAB 環境下直接撰寫、修改原始程式(Source Code)，同時也可以直接啟動語言工具 (Language Tools)進行組譯(Assembler)或 C 的編譯(Compiler)工作，產生微處理 器可執行的 HEX 檔(INTEL’s HEX Format) [11]。並可依實際的除錯環境來選擇使 用何種硬體模擬或軟體模擬方式來除錯如【圖 3-2】所示，最後可直接啟動 MPLAB 的燒錄功能來燒錄 PICmicro，完成此設計案。以上為對於微處理架構的 所不可欠缺的步驟，透過 MPLAB 的整合從最初的程式撰寫到最終的燒錄都無須 跳出 MPLAB 的視窗，是一套擁有豐富外掛程式的系統，此實驗選擇 MPLAB X C8(8-bits 編譯器：PIC10、PIC12、PIC16、PIC18)。
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圖 3-2 MPLAB 整合式的發展平台
3.1.3 可數位邏輯(Programmable Logic Device, PLD)
是一種含有積體電路及晶片的裝置。而 PLD 晶片屬於數位型態的電路晶片，
同時具有類比電路的晶片，雷射二極體會產生更高的順向電壓，因此當雷射二極 體電流達到水平的限制時，限制狀態指示燈亮起時，表示已達到限制設置，故輸 出端直接關閉的狀態。本研究選擇 PLD12.5K-CH 系列【圖 3-3】，是一款商用雷 射驅動電路模組，是由美商 Wavelength Electronics 公司所開發，特別針對高功率 的雷射驅動，由於主動限流不僅保護雷射二極體也確保穩定的運作的功能，其承 受電流可高達 5~12.5 安培。
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圖 3-3可數位邏輯裝置
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3.2 研發電路之步驟
本研發分為四步驟：量測雷射基本特性、程式燒錄、驅動電路、量測數據 如【圖 3-4】所示。
圖 3-4實驗流程
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3.2.1 量測雷射基本特性
實驗用的雷射二極體是由 nLIGHT 公司所出產，建立在雷射光源與光纖的耦 合。它的波長 915nm，並能產生高達 50 瓦的能量，操作範圍電流值 12 安培，電 壓值為 12 伏特。該顆電光轉換率>50%，是一顆高效率的雷射二極體。
此一研究針對該雷射做電壓、電流的特性量測【圖 3-5】。量測結果如【圖 3-6】【圖 3-7】所示，先得知是電流-功率比較符合線性。【圖 3-8】是電壓、電 流做比較，發現若以電流控制電壓時，電壓不會急遽遞增或遞減，相反的電流會 因為調整電壓而有急遽的現象產生，因此選擇電流控制來保護雷射二極體比較適 當。
圖 3-5量測雷射特性
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圖 3-6 電壓-功率特性曲線 圖 3-7 電流-功率特性曲線
圖 3-8 電壓-電流比較
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3.2.2 程式燒錄
先在編譯器用 C 語言撰寫微處理器 PIC18F4520 的腳位控制程式，再由 ICD3 燒錄至微處理器，執行類比數位轉換，最後由電路設計上的開關直接控制電流輸 出入及訊號。這樣是免除於每次重新反覆的燒錄程式【圖 3-9】。
圖 3-9 程式燒錄
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3.2.3 驅動電路
該電路以 PIC18F4520 與 MAX539 為主要運作元件，兩個元件之間進行數位 類比轉換，而開關就是負責數位類比功率轉換輸出與輸入。【表 3-1】是微處理 器架構的比較，可發現 PIC18 架構的功能都好過其他架構，重點是 PIC18 有支 援到 12-bits 類比數位轉換，再加上須配合 MAX539 的 12bits【圖 3-11】數位類 比轉換，故 PIC18 的架構較符合此研究使用。
表 3-1 處理器架構的比較[12]
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圖 3-11 MAX539 內部架構[12]
3.2.4 量測數據
用功率計來量測 LD 輸出功率，並以 PLD12.5K-CH 的規格 2.5A/V 為基準，
0.5V 為一次量測，量測到 4V 時，電流值亦達到電源供應器最大限值 9.14A。
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第四章 電路
4.1 電路版本介紹
在設計高功率驅動雷射電路過程中，以簡化製程來設計整個電路，並隨著工 業加工的要求，來做更進一步的改良：(1)高功率雷射電路基本版、(2)高功率雷 射電路改良版。
4.2 高功率雷射電路基本版
該電路架構主要分成三部分:(I)類比數位轉換，(II)控制開關，(III)輸出固定 電壓。
(I)類比數位轉換：【圖 4-1】此區主要目的是把設定好的程式燒進微處理器，
藉由控制開關給予類比值，傳到微處理器進行類比數位轉換【圖 4-2】，訊號再 與 MAX539 進行 12 位元數位類比轉換【圖 4-3】，再把訊號傳送至 PLD，讓它 決定值是否在雷射二極體的規範內，最後量測的值就是光功率的值。
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圖 4-1 類比數位轉換電路
圖 4-2 類比數位轉換
圖 4-3 數位類比轉換
(II)控制開關：【圖 4-4】主要是用來傳達類比訊號至微處理器，每個開關附 上一個電阻，是用來抗雜訊，避免受干擾。
ADC
DAC
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圖 4-4 控制開關電路
(III)輸出固定電壓：【圖 4-5】是提供元件所需要的電壓，避免額外再接電源 供應器，以節省成本及空間。
圖 4-5 輸出固定電壓電路
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4.3 高功率雷射電路改良版
作模式，並由控制開關來調整數據。這邊增加一個 10M 震盪器元件，是要讓微 處理器避免受到訊號干擾及雜訊，因為微處理器要處理很多不同訊號，並做傳輸 動作，另用此元件可以減少干擾。
圖 4-7 增加微處理器功能電路
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第五章 研究結果與數據
註：紅色框-光纖雷射 藍色框-PLD12.5K-CH 咖啡色框-雷射電路 綠色框-功率計 圖 5-1 實際量測
圖 5-2 實體基本版電路
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表 5-1 量測基本版電路數據結果
待測量電壓值(V) 類比值 實際測量電流值(A) 功率(W)
0.5 409 1.255 4.293
1 819 2.504 12.40
1.5 1229 3.855 20.76
2 1639 5.003 27.56
2.5 2049 6.224 34.41
3 2459 7.497 40.80
3.5 2868 8.723 46.80
4 3278 9.140 48.77
4.5 3688 9.140 48.82
5 4096 9.140 48.84
圖 5-3 基本版雷射電路功率曲線
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圖 5-4 第一代電路之電流最大值[4]
圖 5-5 第一代電路之數據[4]
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5.2 高功率雷射電路改良版量測
量測電路基本版的數據及比較後，根據此一數據，進而設計驅動雷射電路改 良版【圖 5-6】【圖 5-7】，並開始做量測【圖 5-8】。由於在電路架構不變之下，
結合結構部分【圖 5-9】前面所提到的整合機構、電路、光學三部分，讓它形成 一個雷射系統。
圖 5-6 實體電路改良版-正面
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圖 5-7 實體電路改良版-反面
註:紅色框-光纖雷射 咖啡色框-雷射電路 綠色框-功率計 圖 5-8 電路改良版之實際量測
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註:藍色框-PLD12.5K-CH 圖 5-9 機構內部
由於改良版的電路給予類比訊號值控制開關改為旋鈕方式，故本文作者直接 操作旋鈕來給類比值，再藉由功率計來量測輸出功率【圖 5-10】。因為是雷射機 台，故要考量加工時間的穩定性，所以每次給予一次類比值後，會讓雷射輸出功 率維持一小時，觀察看看是否功率有異常現象，也驗證增加保護電路是否有穩 定。
圖 5-10 量測數據
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不僅電路有所修改，程式部分也因為硬體增加功能後，韌體也必須增加許多
圖 5-11 改良版雷射電路功率曲線
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5.3 驅動雷射電路規格比較
Peak Current (Pulsed)
Peak Current
(Continuous) Input Voltage
Maximum Diode Load
Voltage 760-57 2A 2A +5VDC 3
表 5-4 自製研發之雷射二極體驅動電路規格 雷射電
路型號
Peak Current (Pulsed)
Peak Current
(Continuous) Input Voltage
Maximum Diode Load
Voltage 改良版
第六章 結論與未來展望
參考文獻
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