CN100385756C - 一种全光纤结构的稳定光源光功率输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其由光源、耦合器、PIN探测器和信号处理单元构成，所述信号处理单元包括I/V转换电路、DSP处理器、D/A转换电路和光源驱动电路；光源与耦合器的一根入纤熔接，PIN探测器的尾纤与耦合器的一根出纤熔接，PIN探测器输出光强电流信号I给I/V转换电路进行电流转换，经I/V转换电路转换后输出的光强电压信号V，经DSP处理器的片内A/D转换器转换为数字电压信号V_D，所述数字电压信号V_D在DSP处理器中进行PID算法处理后输出数字控制信号给D/A转换电路，D/A转换电路输出一个模拟控制电压信号V_A驱动光源驱动电路，产生一个驱动光源的电流信号I_A，从而使光源工作在设定的光功率输出点上。

Description

一种全光纤结构的稳定光源光功率输出装置

技术领域

本发明涉及一种数字化自动光功率控制装置，具体地说，是指一种利用负反馈原理调整光源的驱动控制，使光功率输出保持稳定。该装置利用光功率波动导致探测器光电流改变的特性，检测光电流的改变量，通过电路负反馈控制改变光源的驱动电流，抑制光功率的波动，从而达到稳定光源光功率输出的目的。

背景技术

自动功率控制(Automatic power control简称APC)装置是新型光源中的重要组成部分，要使半导体激光器克服供电电源波动、器件老化等因素的影响，确保激光器输出功率稳定，就必须设计自动功率控制(APC)电路。传统的光源控制是采用高精度恒流源为光源提供驱动电流，并对光源进行温度控制，采用恒流源与温控相结合的方式来稳定光功率。随着光电测试精度及光通信的要求不断提高，对光源的精度和稳定性提出了更高的要求。而传统的光控模式是按指定量的开环控制，由于其工作原理决定了技术上有一些难以解决的困难。如：

(1)没有自动修正偏差的能力，其控制量会随着时间的变化而改变。

(2)抗扰动能力差，电源电压的波动、电磁干扰、负载的变化均会对光源的功率输出产生较大影响。

(3)对环境温度极其敏感，在全温工作环境下，光功率输出有很大的变化，严重时，导致系统无法正常工作。

(4)对光源的控制不能灵活处理，无法实现对光源的控制保护措施。

目前大多数光控均采用模拟式恒流源配合温控的方式。缺陷在于：动态范围小、稳定性差、控制方式单一。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字式自动光功率控制及光源控制保护的装置，该装置中光路采用全光纤连接。闭环反馈控制装置使光源始终工作在稳定的光功率点上，采用本发明的数字式闭环控制模式提高了控制的精度和稳定性，提高了控制的动态范围。

本发明是一种全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，由光源、耦合器、PIN探测器和信号处理单元构成，所述信号处理单元包括I/V转换电路、DSP处理器、D/A转换电路和光源驱动电路；光源与耦合器的一根入纤熔接，PIN探测器的尾纤与耦合器的一根出纤熔接，PIN探测器输出光强电流信号I给I/V转换电路进行电流转换，经I/V转换电路转换后输出的光强电压信号V，经DSP处理器的片内A/D转换器转换为数字电压信号V_D，所述数字电压信号V_D在DSP处理器中进行PID算法处理后输出数字控制信号给D/A转换电路，D/A转换电路输出一个模拟控制电压信号V_A驱动光源驱动电路，产生一个驱动光源的电流信号I_A，从而使光源工作在设定的光功率输出点上。

所述的全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其DSP处理器中进行PID算法处理步骤有：

(A)预置增量式PID算法中的0阶系数 $q_0=k_p(1+\frac{T}{T_i}+\frac{T_d}{T})$ 、1阶系数 $q_1=-k_p(1+\frac{{2T}_d}{T})$ 、2阶系数 $q_2=k_p\frac{T_d}{T},$ 预置光功率初始值y_o，式中，k_p表示比例系数，T表示采样周期，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；

(B)接收A/D转换器输出的数字电压信号V_D，并将数字电压信号V_D与步骤(A)中的光功率初始值y_o进行减法运算，获得光功率输出偏差量e(k)；

(C)将步骤(B)中获得的光功率偏差量e(k)与步骤(A)中的0阶系数q₀、1阶系数q₁、2阶系数q₂进行先乘后加运算得到增量式PID输出值Δu(k)＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)；

(D)将步骤(C)中得到的增量式PID输出值Δu(k)与前一时刻光功率控制量u(k-1)作加法运算得到当前时刻光功率控制量u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，并将当前时刻光功率控制量u(k)输出给D/A转换电路。

所述的全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其DSP处理器选取TMS320F206芯片，耦合器选取95/5的分光比耦合器，光源选取SLD光源或者ASE光源，光电探测器是PIN硅光电二极管。

本发明的数字式自动光功率控制装置与传统光控装置相比，其优点：(1)采用全光纤传输，其绝缘性能好；(2)抗扰动能力强，稳定性好；(3)负反馈控制采用数字式控制，控制方式灵活多样，改进方便。

附图说明

图1是本发明光源功率信号处理框图。

图2A是光源驱动电路原理图。

图2B是D/A转换电路原理图。

图2C是I/V转换电路原理图。

具体实施方式

请参见图1所示，本发明是一种采用全光纤连接的数字式自动光功率控制装置，该光功率控制装置由光源、耦合器、PIN探测器和信号处理单元构成。所述的光源与耦合器的一根入纤熔接，光电探测器的尾纤与耦合器的一根出纤熔接；PIN探测器输出光强电流信号给信号处理单元中的I/V转换模块，I/V转换模块输出的光强电压信号经信号处理单元DSP中的片内A/D转换器将采集的电压信号转换为数字量，经DSP进行PID算法处理后输出控制信号给D/A转换器；D/A转换器将DSP输出的数字控制信号转换为模拟电压信号输出至受控恒流源，产生驱动电流驱动光源。本发明的控制方法采用负反馈原理调整光源的驱动控制，使光功率输出保持稳定。光源发出的光经过耦合器后一部分注入PIN光电探测器，光电流的波动即可表征光功率的波动，对由光电流波动导致的控制系统偏差，进行负反馈控制，改变光源的驱动电流，就可以直接的稳定光源光功率的输出。

在本发明中，所述光源是SLD光源或者ASE光源，光电探测器是PIN硅光电二极管，DSP选取TMS320F206芯片。

数字式自动光功率控制装置的光路中由光源发出的光经过耦合器后由耦合器分为两束，耦合器的出纤与光电探测器的尾纤熔接，因此输入光电探测器的光只携带了光源输出的一部分光功率，但与光源的输出光功率成线性比例关系，故可以光电探测器中的光电流来表征光源输出光功率的大小。

所述PIN探测器中的探测到的电流满足

式中，i_so表示暗电流，

表示光电流，g表示光电二极管的内导，u表示曲膝电压，S表示光电二极管的灵敏度，P表示输入的光功率。

在本发明中，全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其DSP处理器中进行PID算法处理步骤有：

(A)预置增量式PID算法中的0阶系数 $q_0=k_p(1+\frac{T}{T_i}+\frac{T_d}{T})$ 、1阶系数 $q_1=-k_p(1+\frac{{2T}_d}{T})$ 、2阶系数 $q_2=k_p\frac{T_d}{T},$ 预置光功率初始值y_o，式中，k_p表示比例系数，T表示采样周期，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；

(B)接收A/D转换器输出的数字电压信号V_D，并将数字电压信号V_D与步骤(A)中的光功率初始值y_o进行减法运算，获得光功率输出偏差量e(k)；

(C)将步骤(B)中获得的光功率偏差量e(k)与步骤(A)中的0阶系数q₀、1阶系数q₁、2阶系数q₂进行先乘后加运算得到增量式PID输出值Δu(k)＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)；

(D)将步骤(C)中得到的增量式PID输出值Δu(k)与前一时刻光功率控制量u(k-1)作加法运算得到当前时刻光功率控制量u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，并将当前时刻光功率控制量u(k)输出给D/A转换电路。

DSP处理器片内PID采用增量PID算法控制，PID算法可先采用经验试凑法确定，为适应对不同光电管的控制要求，可在试凑法达到目的的情况下，采用自寻的最优法。增量PID算法公式推演如下：

$y\left(k\right)=k_p[e\left(k\right)+\frac{T}{T_i}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)+T_d\frac{e\left(k\right)-e(k-1)}{T}]+y_0$

可以推得，当t＝k-1时的差分方程

$y(k-1)=k_p[e(k-1)+\frac{T}{T_i}\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)+T_d\frac{e(k-1)-e(k-2)}{T}]+y_0$

上两式相减，可得

$\mathrm{\Δu}\left(k\right)=k_p\{e\left(k\right)-e(k-1)+\frac{T}{T_i}e\left(k\right)+\frac{T_d}{T}[e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\left]\right\}+y_0$

令 $d0=k_p(1+\frac{T}{T_i}+\frac{T_d}{T}),d1=k_p(1+\frac{{2T}_d}{T}),d2=K_p\frac{T_d}{T}$

可得Δu(k)＝d0e(k)+d1e(k-1)+d2(k-2)

本发明对信号的中心控制采用增量式PID不需要作累加，控制量增量的确定仅与最近三次误差采样值相关，计算误差或计算精度问题对控制量的影响较小；增量式PID算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时可以通过逻辑判断限制或禁止本次的输出，不会严重影响系统的正常工作；采用增量式PID算法占用较少的存储单元，益于编写程序。

DSP处理电路

由于本发明的控制方式为数字式闭环负反馈控制，采用PID算法控制技术，可以将光电探测器输出的光强信号作为检测量，采用DSP运行环境实现PID算法。基本实现方法为：1、首先通过DSP片内A/D转换器将I/V转换电路输出的光强电压信号转换为数字量；2、利用DSP开发环境编写PID控制算法模块，对检测到的数字量进行处理，输出数字控制量；3、利用DSP开发环境编写控制保护模块，4、对静电、开关浪涌及电网浪涌造成的光功率的异常波动，采取保护措施。DSP处理器与本发明中涉及的电路各端子为常规联接。

I/V转换电路

I/V转换电路为二级滤波放大电路。由于光电探测器的输出信号较小，同时又存在光噪声信号，因此在本发明中采用滤波放大的方法，使光电探测器输出的信号经过放大，同时滤波，输出电压信号。各端子的连接如图2C所示，I/V转换电路的各端子联接，探测器输出的光强电流信号I加载至运算放大器U5的反相输入端2，运算放大器U5的输出端1与电阻R12一端联接，电阻R12另一端与运算放大器U6的反相输入端2联接，运算放大器U6的输出端1与电阻R15一端联接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端联接，电阻R16的另一端与电容C8一端联接，电容C8另一端接地；电阻R13一端与与运算放大器U6的反相输入端2联接，电阻R13另一端与电阻R15另一端联接；电阻R11一端与运算放大器U5的输出端1联接，电阻R11另一端与运算放大器U5的反相输入端2联接；电阻R14一端与运算放大器U6的同相输入端3联接，电阻R14另一端接地；电阻R10一端与运算放大器U5的同相输入端3联接，电阻R10另一端接地；电容C7一端与运算放大器U5的同相输入端3联接，电容C7另一端接地。光纤探测器输出的光强电压信号端与前放电路的运算放大器U2的2端连接，运算放大器U2的输出端与运算放大器U1的输入端连接，运算放大器U1输出端与DSP电路连接。

D/A转换电路

D/A转换电路由D/A转换器、两级放大电路组成，D/A转换电路将DSP输出的数字信号转换成模拟信号，所述模拟信号经两级放大电路输出至受控恒流源。各端子的连接如图2B所示，D/A转换电路的各端子联接，DSP处理器输出的数字控制信号加载至D/A转换器U3的输入端7，D/A转换器U3输出的模拟控制电压信号VA加载至电阻R8的一端，电阻R8的另一端与运算放大器U4的反相输入端2联接，运算放大器U4的输出端1与光源驱动电路联接；电容C2的正端分别接+5V、D/A转换器U3的1端，电容C2另一端接地；电容C3一端接D/A转换器U3的1端，电容C3另一端接地；电容C5的正端分别接+2.5V、D/A转换器U3的2端，电容C5另一端接地；电容C4一端接D/A转换器U3的2端，电容C4另一端接地；电阻R7一端接D/A转换器U3的4端，电阻R7另一端接地；电阻R8一端与电阻R7一端联接，电阻R8另一端与电阻R9一端联接，电阻R9另一端与运算放大器U4的输出端1联接。

光源驱动电路

光源驱动电路包括高精度恒流源电路，光源管芯温度控制电路组成。高精度恒流源电路提供稳定的电流输出，使光源输出功率稳定；光源管芯温度控制电路利用稳定管芯的温敏电阻，把管芯工作在稳定的温度环境下，使光源工作不受外界温度影响，输出功率更加稳定。各端子的连接如图2A所示，D/A转换电路输出的模拟控制电压信号VA端与光源驱动电路电阻R6一端联接，电阻R6另一端与运算放大器U1的反相输入端2联接，运算放大器U1的输出端1与电阻R5一端联接，电阻R5另一端与运算放大器U2的反相输入端2联接，运算放大器U2的输出端1与三极管Q1的基极联接，三极管Q1的发射极与电阻R1一端联接，三极管Q1的集电极接地，电阻R1另一端与光源相连；电阻R2一端与运算放大器U2的反相输入端2联接，电阻R2另一端联接在三极管Q1发射极与电阻R1之间；电阻R4一端与与运算放大器U1的输出端1联接，电阻R4另一端与联接在运算放大器U1的反相输入端2与电阻R3之间；电阻R3一端与电阻R6另一端联接，电阻R3另一端与光源联接；其中，电阻R2为运算放大器U2的反馈电阻，电阻R4为运算放大器U1的反馈电阻，电阻R1和电阻R3共同构成运算放大器U2和运算放大器U1的反馈电阻。恒流源电路采用集成运放和三级管结合构成宽带压控恒流源，光源管芯温度控制电路采用由热敏电阻构成的电桥来控制光源管芯温度。

Claims (4)

1.一种全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，由光源、耦合器、PIN探测器和信号处理单元构成，所述信号处理单元包括I/V转换电路、DSP处理器、D/A转换电路和光源驱动电路；光源与耦合器的一根入纤熔接，PIN探测器的尾纤与耦合器的一根出纤熔接，PIN探测器输出光强电流信号I给I/V转换电路进行电流转换，经I/V转换电路转换后输出的光强电压信号V，经DSP处理器的片内A/D转换器转换为数字电压信号V_D，所述数字电压信号V_D在DSP处理器中进行PID算法处理后输出数字控制信号给D/A转换电路，D/A转换电路输出一个模拟控制电压信号V_A驱动光源驱动电路，产生一个驱动光源的电流信号I_A，从而使光源工作在设定的光功率输出点上；

其特征在于所述DSP处理器中进行PID算法处理步骤有：(A)预置增量式PID算法中的0阶系数 $q_0=k_p(1+\frac{T}{T_i}+\frac{T_d}{T}),$ 1阶系数 $q_1=-k_p(1+\frac{{2T}_d}{T}),$ 2阶系数 $q_2=k_p\frac{T_d}{T},$ 预置光功率初始值y_o，式中，k_p表示比例系数，T表示采样周期，T_i表示积分系数，T_d表示微分系数；(B)接收A/D转换器输出的数字电压信号V_D，并将数字电压信号V_D与步骤(A)中的光功率初始值y_o进行减法运算，获得光功率输出偏差量e(k)；(C)将步骤(B)中获得的光功率偏差量e(k)与步骤(A)中的0阶系数q₀、1阶系数q₁、2阶系数q₂进行先乘后加运算得到增量式PID输出值Δu(k)＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)；(D)将步骤(C)中得到的增量式PID输出值Δu(k)与前一时刻光功率控制量u(k-1)作加法运算得到当前时刻光功率控制量u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，并将当前时刻光功率控制量u(k)输出给D/A转换电路。

2.根据权利要求1所述的全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其特征在于：D/A转换电路输出的模拟控制电压信号V_A端与光源驱动电路电阻R6一端联接，电阻R6另一端与运算放大器U1的反相输入端2联接，运算放大器U1的输出端1与电阻R5一端联接，电阻R5另一端与运算放大器U2的反相输入端2联接，运算放大器U2的输出端1与三极管Q1的基极联接，三极管Q1的发射极与电阻R1一端联接，三极管Q1的集电极接地，电阻R1另一端与光源相连；电阻R2一端与运算放大器U2的反相输入端2联接，电阻R2另一端联接在三极管Q1发射极与电阻R1之间；电阻R4一端与运算放大器U1的输出端1联接，电阻R4另一端联接在运算放大器U1的反相输入端2与电阻R3之间；电阻R3一端与电阻R6另一端联接，电阻R3另一端与光源联接；其中，电阻R2为运算放大器U2的反馈电阻，电阻R4为运算放大器U1的反馈电阻，电阻R1和电阻R3共同构成运算放大器U2和运算放大器U1的反馈电阻。

3.根据权利要求1所述的全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其特征在于：I/V转换电路的各端子联接，探测器输出的光强电流信号I加载至运算放大器U5的反相输入端2，运算放大器U5的输出端1与电阻R12一端联接，电阻R12另一端与运算放大器U6的反相输入端2联接，运算放大器U6的输出端1与电阻R15一端联接，电阻R15的另一端与电阻R16的一端联接，电阻R16的另一端与电容C8一端联接，电容C8另一端接地；电阻R13一端与运算放大器U6的反相输入端2联接，电阻R13另一端与电阻R15另一端联接；电阻R11一端与运算放大器U5的输出端1联接，电阻R11另一端与运算放大器U5的反相输入端2联接；电阻R14一端与运算放大器U6的同相输入端3联接，电阻R14另一端接地；电阻R10一端与运算放大器U5的同相输入端3联接，电阻R10另一端接地；电容C7一端与运算放大器U5的同相输入端3联接，电容C7另一端接地。

4.根据权利要求1所述的全光纤结构的稳定光源光功率输出装置，其特征在于：D/A转换电路的各端子联接，DSP处理器输出的数字控制信号加载至D/A转换器U3的输入端7，D/A转换器U3输出的模拟控制电压信号V_A加载至电阻R8的一端，电阻R8的另一端与运算放大器U4的反相输入端2联接，运算放大器U4的输出端1与光源驱动电路联接；电容C2的正端分别接+5V、D/A转换器U3的1端，电容C2另一端接地；电容C3一端接D/A转换器U3的1端，电容C3另一端接地；电容C5的正端分别接+2.5V、D/A转换器U3的2端，电容C5另一端接地；电容C4一端接D/A转换器U3的2端，电容C4另一端接地；电阻R7一端接D/A转换器U3的4端，电阻R7另一端接地；电阻R8一端与电阻R7一端联接，电阻R8另一端与电阻R9一端联接，电阻R9另一端与运算放大器U4的输出端1联接。

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