CN1694321A - 泵浦激光器自动功率及温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泵浦激光器的自动功率及温度控制装置。它包括自动功率控制电路和自动温度控制电路，该两电路均采用脉冲宽度调制方式分别驱动泵浦激光器和致冷器，从而实现泵浦激光器的自动温度控制及自动功率控制。本发明极大地降低了泵浦控制器的功耗和体积。整个装置采用单片机进行控制，并设定和读取各种参数。

Description

泵浦激光器自动功率及温度控制装置

技术领域

一种掺铒光纤放大器(EDFA)泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，采用脉冲宽度调制(PWM)方式实现泵浦激光器的自动温度控制(ATC)及自动功率控制(APC)，并采用单片机对整个装置进行控制。

背景技术

自从90年代问世以来，掺铒光纤放大器(EDFA)已经成为光纤通信网的一个核心部件，广泛应用于DWDM长途光通信干线、全光城域网、光纤有线电视网等各种网络。EDFA的光增益模块主要由光学部分和电路部分组成，光学部分包括掺铒光纤、泵浦激光器及各种无源器件，电路部分主要包括激光器控制电路、输入输出光检测电路等。

EDFA中，泵浦激光器是最核心最昂贵的器件，对控制电路的要求是很高的，泵浦控制电路包括自动功率控制电路APC和自动温度控制电路ATC。传统的APC和ATC电路采用负反馈加线性驱动的方法，电路简单，但采用大功率驱动三极管或运放作为功率驱动元件，效率低、发热较大，需要外加散热片等散热措施。而且传统的模拟ATC、APC电路为了调整参数，需要使用一些体积较大的精密电位器，造成调试困难、成本上升，也无法实现小型化。随着泵浦激光器功率的不断增大(已达300mW，驱动电流为800mA以上)，传统模拟控制电路的功耗和体积已经满足不了EDFA的模块化、小型化和大功率等要求，所以必须对泵浦控制电路进行改进，以满足这些要求。

发明内容

本发明提供了一种泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，实现稳定泵浦激光器的输出光功率及温度，降低功耗和体积。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，包括自动功率控制电路(APC)及自动温度控制电路(ATC)，其特征在于所述的自动功率控制电路(APC)和自动温度控制电路(ATC)均采用脉冲宽度调制方式(PWM)，分别驱动泵浦激光器和致冷器，从而实现泵浦激光器的自动功率控制和自动温度控制。

上述的自动功率控制电路(APC)由一个光电流检测电路经一个单片机和一个PWM发生和驱动电路连接一个滤波器组成，所述的其采用脉冲宽度调制方式驱动泵浦激光器是：光电流检测电路检测泵浦的背光信号，单片机采样此信号并计算出误差电压控制PWM发生和驱动电路，然后输出的脉冲经滤波器滤波后驱动泵浦激光器；所述的自动温度控制电路由一个温度误差电桥经一个ATC控制芯片和一个MOS桥连接一个滤波器构成，所述的其采用脉冲宽度调制方式驱动致冷器是温度误差电桥将泵浦温度变化变换为误差电压输出给ATC控制芯片，ATC控制芯片输出相应的PWM脉冲驱动MOS桥，然后经滤波器滤波后驱动致冷器。

上述的单片机采用ADμC832型单片机，该单片机植入PID算法软件实现所述的误差电压计算。

上述的单片机(22)采用计算机命令行方式设置和读取各种参数，便于调试。

上述的ATC控制芯片采用ADN8830型芯片。

上述的APC部分PWM发生和驱动电路采用DRV593型芯片。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、采用PWM方式实现泵浦激光器的APC及ATC，比传统的模拟方式降低了功耗和体积。2、采用单片机对整个控制装置进行控制，并采用命令行方式实现泵浦参数的计算机设置及读取，方便调试。3、采用PID算法进行APC电路误差电压的计算，实现光功率的精确控制。4、采用专用ATC温控芯片实现泵浦激光器的温度控制，精度可以达到±0.1℃。

附图说明

图1为本发明泵浦激光器的自动功率及温度控制装置的总体框图。

图2为系统的软件主程序流程。

图3为APC任务流程。

具体实施方式

本发明泵浦激光器的自动功率及温度控制装置的较佳实施例的总体框图如图1所示。

图1上半部分为APC电路，由光电流检测2、ADμC832单片机22、PWM发生和驱动电路6组成。PD1将泵浦的背光信号转换为正比于泵浦功率的光电流，经光电流检测电路2变换为电压信号，单片机内部的A/D 3采样此电压信号并换算为光功率，与预设的泵浦功率进行比较，调用PID算法计算误差电压，由D/A 5输出误差电压控制外部的PWM发生和驱动电路6，经滤波7后驱动泵浦激光器LD 8。

单片机ADμC83222内部有8路12比特A/D 3和2路12比特D/A 5，内置64K字节Flash和1K字节RAM 9和8052CPU内核4，适合应用于测控系统。PWM发生和驱动电路6由芯片DRV593构成。PWM是脉冲宽度调制的简称，指将一定的驱动电压变换为频率相同占空比不同的脉冲串，泵浦驱动电路采用PWM方式后，可以将原先的连续工作方式改为脉冲工作方式，从而可以大大降低功耗，提高效率。PWM驱动脉冲经平滑滤波7后驱动泵浦8，由于频率较高(一般为1MHz)，简单的LC滤波器就可将纹波控制在允许的范围内。当泵浦输出光功率减小时，背光电流减小，单片机22输出误差电压增大，使PWM脉冲变宽，滤波后，使泵浦LD 8的驱动电压增加，泵浦电流增大，输出光功率增大。当光功率减小时，过程相反，实现了稳定输出光功率的作用。

图1的下半部分为ATC电路。由泵浦内部的热敏电阻TR 13和3个10K精密电阻组成电桥将泵浦的温度变化变换为误差电压输入ATC专用控制芯片ADN883023，ADN8830内部包含误差放大14、PID补偿网络15、PWM发生器17及相关的控制模块18，经ADN8830输出的PWM脉冲驱动外部MOS桥19，经滤波20后驱动致冷器TE 21。ADN8830是ATC电路的核心，PID补偿网络15用于对误差信号进行积分，参数通过外加阻容网络设置，在对参数进行优化后，可以将泵浦的温度控制在±0.1℃以内。一般泵浦内部的热敏电阻为负温度系数，在25℃时的阻值为10K，当温度偏离25℃时，电阻桥输出误差电压经PID网络积分后控制PWM的脉宽，使TE21的致冷电流增大或减小，将泵浦内部温度稳定在25℃。

由于PWM输出端是高频率、大电流的工作状态，会对信号检测、积分等小信号电路造成干扰，所以在电路设计及PCB布线时充分应考虑抗干扰措施，主要有以下方面：采用多层电路板布线，具有独立的电源和地线层；模拟电路和数字电路的电源和地线分开，在电源输入处单点接地，模拟电源采用LC滤波；大电流部分和小信号部分在空间上分开，引线尽量短，PID网络、滤波电容等靠近主芯片等。

系统软件由初始化程序、主程序和中断程序等组成，完成APC、ATC电路控制、参数采集、告警设置、命令处理等功能。

图2为系统的软件主程序流程。控制软件采用了分时的多任务机制，在完成步骤24初始化后进入主程序，主程序是一个循环，不断读取几个任务标志，当相应的标志为1时进行相关处理。步骤25判断10ms标志，为1则运行步骤26APC控制，如为0直接转到步骤27，判断100ms标记，如为1则进行步骤28读取参数处理，如为0直接转到步骤29读取命令标记，命令标记为1进入步骤30命令处理，为0则回到步骤25，步骤30完成后也回到步骤25，如此循环。任务标志由定时中断或串口中断置位，由主程序复位，串口中断优先级较高。

图3为APC任务流程，在收到步骤31泵浦开启命令后，进入步骤32读取背光电流的值Ip，步骤33由预设的PD响应度R根据P＝Ip/R算出泵浦功率，步骤34调用PID算法计算出PWM控制电压值。PID算法将实测的泵浦功率与预设的功率进行比较，算出功率误差Pe，并将当前误差Pe、误差累积Pes及误差的增量Pea三项按一定的比例系数相加，得到PWM控制电压V＝A*Pe+B*Pes+C*Pea，由步骤36经D/A 5输出至PWM芯片DRV5936。

PID算法的关键是如何设置比例系数，由于激光器光功率是一个慢变化的过程，所以应设置较小的比例系数(＜＜1)，可以根据实测收敛的情况确定，为了避免浮点运算，提高效率，可以设整数系数，最后再缩小100倍或1000倍。为了保护激光器，在程序中还增加了步骤35限流的措施，如电流大于上限，则直接返回。

参数处理任务的功能是处理由AD中断采样到的泵浦电流、致冷电流、泵浦温度、泵浦功率等模拟量，为了消除由于干扰等原因造成的采样错误，对每个模拟量建立一个16字的先进先出样值寄存器，将样值进行16次平均，并换算为实际值存入发送队列。参数处理任务的另一个功能是根据预设的告警门限判断告警状态，并存入相应的告警状态位中。

命令处理任务负责解释和响应串口收到的各种命令，主要包括泵浦静态参数设置命令、动态参数读取命令、泵浦开启关闭命令等。静态参数包括PD响应度、告警门限、泵浦预设功率等，动态参数为各种模拟量。命令和参数都以ASCII字符方式进行处理，便于在计算机上利用超级终端或串口调试器等软件进行调试。本控制装置的另一个重要特点是采用命令行方式实现泵浦参数的计算机设置及读取，方便调试。

Claims (6)

1、一种泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，包括自动功率控制电路(APC)及自动温度控制电路(ATC)，其特征在于所述的自动功率控制电路(APC)和自动温度控制电路(ATC)均采用脉冲宽度调制方式(PWM)，分别驱动泵浦激光器(8)和致冷器(21)，从而实现泵浦激光器的自动功率控制和自动温度控制。

2、根据权利要求1所述的泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，其特征在于所述的自动功率控制电路(APC)由一个光电流检测电路(2)经一个单片机(22)和一个PWM发生和驱动电路(6)连接一个滤波器(7)组成，所述的其采用脉冲宽度调制方式驱动泵浦激光器是：光电流检测电路(2)检测泵浦(1)的背光信号，单片机(22)采样此信号并计算出误差电压控制PWM发生和驱动电路(6)，然后输出的脉冲经滤波器(7)滤波后驱动泵浦激光器(8)；所述的自动温度控制电路(ATC)由一个温度误差电桥(13)经一个ATC控制芯片(23)和一个MOS桥(19)连接一个滤波器(20)构成，所述的其采用脉冲宽度调制方式驱动致冷器(21)是温度误差电桥(13)将泵浦温度变化变换为误差电压输出给ATC控制芯片(23)，ATC控制芯片(23)输出相应的PWM脉冲驱动MOS桥(19)，然后经滤波器(20)滤波后驱动致冷器(21)。

3、根据权利要求2所述的泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，其特征在于所述的单片机(22)采用ADμC832型单片机，该单片机(22)植入PID算法软件实现所述的误差电压计算。

4、根据权利要求3所述的泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，其特征在于所述的单片机(22)采用计算机命令行方式设置和读取各种参数，便于调试。

5、根据权利要求2所述的泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，其特征在于所述的ATC控制芯片采用ADN8830型芯片。

6、根据权利要求2所述的泵浦激光器的自动功率及温度控制装置，其特征在于所述的APC部分PWM发生和驱动电路采用DRV593型芯片。

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