專利名稱：泵浦激光器自動功率及溫度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種摻鉺光纖放大器(EDFA)泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式實現(xiàn)泵浦激光器的自動溫度控制(ATC)及自動功率控制(APC)，并采用單片機(jī)對整個裝置進(jìn)行控制。
背景技術(shù)：
自從90年代問世以來，摻鉺光纖放大器(EDFA)已經(jīng)成為光纖通信網(wǎng)的一個核心部件，廣泛應(yīng)用于DWDM長途光通信干線、全光城域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)。EDFA的光增益模塊主要由光學(xué)部分和電路部分組成，光學(xué)部分包括摻鉺光纖、泵浦激光器及各種無源器件，電路部分主要包括激光器控制電路、輸入輸出光檢測電路等。
EDFA中，泵浦激光器是最核心最昂貴的器件，對控制電路的要求是很高的，泵浦控制電路包括自動功率控制電路APC和自動溫度控制電路ATC。傳統(tǒng)的APC和ATC電路采用負(fù)反饋加線性驅(qū)動的方法，電路簡單，但采用大功率驅(qū)動三極管或運放作為功率驅(qū)動元件，效率低、發(fā)熱較大，需要外加散熱片等散熱措施。而且傳統(tǒng)的模擬ATC、APC電路為了調(diào)整參數(shù)，需要使用一些體積較大的精密電位器，造成調(diào)試?yán)щy、成本上升，也無法實現(xiàn)小型化。隨著泵浦激光器功率的不斷增大(已達(dá)300mW，驅(qū)動電流為800mA以上)，傳統(tǒng)模擬控制電路的功耗和體積已經(jīng)滿足不了EDFA的模塊化、小型化和大功率等要求，所以必須對泵浦控制電路進(jìn)行改進(jìn)，以滿足這些要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，實現(xiàn)穩(wěn)定泵浦激光器的輸出光功率及溫度，降低功耗和體積。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，包括自動功率控制電路(APC)及自動溫度控制電路(ATC)，其特征在于所述的自動功率控制電路(APC)和自動溫度控制電路(ATC)均采用脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)，分別驅(qū)動泵浦激光器和致冷器，從而實現(xiàn)泵浦激光器的自動功率控制和自動溫度控制。
上述的自動功率控制電路(APC)由一個光電流檢測電路經(jīng)一個單片機(jī)和一個PWM發(fā)生和驅(qū)動電路連接一個濾波器組成，所述的其采用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動泵浦激光器是光電流檢測電路檢測泵浦的背光信號，單片機(jī)采樣此信號并計算出誤差電壓控制PWM發(fā)生和驅(qū)動電路，然后輸出的脈沖經(jīng)濾波器濾波后驅(qū)動泵浦激光器；所述的自動溫度控制電路由一個溫度誤差電橋經(jīng)一個ATC控制芯片和一個MOS橋連接一個濾波器構(gòu)成，所述的其采用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動致冷器是溫度誤差電橋?qū)⒈闷譁囟茸兓儞Q為誤差電壓輸出給ATC控制芯片，ATC控制芯片輸出相應(yīng)的PWM脈沖驅(qū)動MOS橋，然后經(jīng)濾波器濾波后驅(qū)動致冷器。
上述的單片機(jī)采用ADμC832型單片機(jī)，該單片機(jī)植入PID算法軟件實現(xiàn)所述的誤差電壓計算。
上述的單片機(jī)(22)采用計算機(jī)命令行方式設(shè)置和讀取各種參數(shù)，便于調(diào)試。
上述的ATC控制芯片采用ADN8830型芯片。
上述的APC部分PWM發(fā)生和驅(qū)動電路采用DRV593型芯片。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點1、采用PWM方式實現(xiàn)泵浦激光器的APC及ATC，比傳統(tǒng)的模擬方式降低了功耗和體積。2、采用單片機(jī)對整個控制裝置進(jìn)行控制，并采用命令行方式實現(xiàn)泵浦參數(shù)的計算機(jī)設(shè)置及讀取，方便調(diào)試。3、采用PID算法進(jìn)行APC電路誤差電壓的計算，實現(xiàn)光功率的精確控制。4、采用專用ATC溫控芯片實現(xiàn)泵浦激光器的溫度控制，精度可以達(dá)到±0.1℃。


圖1為本發(fā)明泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置的總體框圖。
圖2為系統(tǒng)的軟件主程序流程。
圖3為APC任務(wù)流程。
具體實施例方式
本發(fā)明泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置的較佳實施例的總體框圖如圖1所示。
圖1上半部分為APC電路，由光電流檢測2、ADμC832單片機(jī)22、PWM發(fā)生和驅(qū)動電路6組成。PD1將泵浦的背光信號轉(zhuǎn)換為正比于泵浦功率的光電流，經(jīng)光電流檢測電路2變換為電壓信號，單片機(jī)內(nèi)部的A/D 3采樣此電壓信號并換算為光功率，與預(yù)設(shè)的泵浦功率進(jìn)行比較，調(diào)用PID算法計算誤差電壓，由D/A 5輸出誤差電壓控制外部的PWM發(fā)生和驅(qū)動電路6，經(jīng)濾波7后驅(qū)動泵浦激光器LD 8。
單片機(jī)ADμC83222內(nèi)部有8路12比特A/D 3和2路12比特D/A 5，內(nèi)置64K字節(jié)Flash和1K字節(jié)RAM 9和8052CPU內(nèi)核4，適合應(yīng)用于測控系統(tǒng)。PWM發(fā)生和驅(qū)動電路6由芯片DRV593構(gòu)成。PWM是脈沖寬度調(diào)制的簡稱，指將一定的驅(qū)動電壓變換為頻率相同占空比不同的脈沖串，泵浦驅(qū)動電路采用PWM方式后，可以將原先的連續(xù)工作方式改為脈沖工作方式，從而可以大大降低功耗，提高效率。PWM驅(qū)動脈沖經(jīng)平滑濾波7后驅(qū)動泵浦8，由于頻率較高(一般為1MHz)，簡單的LC濾波器就可將紋波控制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)泵浦輸出光功率減小時，背光電流減小，單片機(jī)22輸出誤差電壓增大，使PWM脈沖變寬，濾波后，使泵浦LD 8的驅(qū)動電壓增加，泵浦電流增大，輸出光功率增大。當(dāng)光功率減小時，過程相反，實現(xiàn)了穩(wěn)定輸出光功率的作用。
圖1的下半部分為ATC電路。由泵浦內(nèi)部的熱敏電阻TR 13和3個10K精密電阻組成電橋?qū)⒈闷值臏囟茸兓儞Q為誤差電壓輸入ATC專用控制芯片ADN883023，ADN8830內(nèi)部包含誤差放大14、PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)15、PWM發(fā)生器17及相關(guān)的控制模塊18，經(jīng)ADN8830輸出的PWM脈沖驅(qū)動外部MOS橋19，經(jīng)濾波20后驅(qū)動致冷器TE 21。ADN8830是ATC電路的核心，PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)15用于對誤差信號進(jìn)行積分，參數(shù)通過外加阻容網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，在對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，可以將泵浦的溫度控制在±0.1℃以內(nèi)。一般泵浦內(nèi)部的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)，在25℃時的阻值為10K，當(dāng)溫度偏離25℃時，電阻橋輸出誤差電壓經(jīng)PID網(wǎng)絡(luò)積分后控制PWM的脈寬，使TE21的致冷電流增大或減小，將泵浦內(nèi)部溫度穩(wěn)定在25℃。
由于PWM輸出端是高頻率、大電流的工作狀態(tài)，會對信號檢測、積分等小信號電路造成干擾，所以在電路設(shè)計及PCB布線時充分應(yīng)考慮抗干擾措施，主要有以下方面采用多層電路板布線，具有獨立的電源和地線層；模擬電路和數(shù)字電路的電源和地線分開，在電源輸入處單點接地，模擬電源采用LC濾波；大電流部分和小信號部分在空間上分開，引線盡量短，PID網(wǎng)絡(luò)、濾波電容等靠近主芯片等。
系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷程序等組成，完成APC、ATC電路控制、參數(shù)采集、告警設(shè)置、命令處理等功能。
圖2為系統(tǒng)的軟件主程序流程。控制軟件采用了分時的多任務(wù)機(jī)制，在完成步驟24初始化后進(jìn)入主程序，主程序是一個循環(huán)，不斷讀取幾個任務(wù)標(biāo)志，當(dāng)相應(yīng)的標(biāo)志為1時進(jìn)行相關(guān)處理。步驟25判斷10ms標(biāo)志，為1則運行步驟26APC控制，如為0直接轉(zhuǎn)到步驟27，判斷100ms標(biāo)記，如為1則進(jìn)行步驟28讀取參數(shù)處理，如為0直接轉(zhuǎn)到步驟29讀取命令標(biāo)記，命令標(biāo)記為1進(jìn)入步驟30命令處理，為0則回到步驟25，步驟30完成后也回到步驟25，如此循環(huán)。任務(wù)標(biāo)志由定時中斷或串口中斷置位，由主程序復(fù)位，串口中斷優(yōu)先級較高。
圖3為APC任務(wù)流程，在收到步驟31泵浦開啟命令后，進(jìn)入步驟32讀取背光電流的值Ip，步驟33由預(yù)設(shè)的PD響應(yīng)度R根據(jù)P＝Ip/R算出泵浦功率，步驟34調(diào)用PID算法計算出PWM控制電壓值。PID算法將實測的泵浦功率與預(yù)設(shè)的功率進(jìn)行比較，算出功率誤差Pe，并將當(dāng)前誤差Pe、誤差累積Pes及誤差的增量Pea三項按一定的比例系數(shù)相加，得到PWM控制電壓V＝A*Pe+B*Pes+C*Pea，由步驟36經(jīng)D/A 5輸出至PWM芯片DRV5936。
PID算法的關(guān)鍵是如何設(shè)置比例系數(shù)，由于激光器光功率是一個慢變化的過程，所以應(yīng)設(shè)置較小的比例系數(shù)(＜＜1)，可以根據(jù)實測收斂的情況確定，為了避免浮點運算，提高效率，可以設(shè)整數(shù)系數(shù)，最后再縮小100倍或1000倍。為了保護(hù)激光器，在程序中還增加了步驟35限流的措施，如電流大于上限，則直接返回。
參數(shù)處理任務(wù)的功能是處理由AD中斷采樣到的泵浦電流、致冷電流、泵浦溫度、泵浦功率等模擬量，為了消除由于干擾等原因造成的采樣錯誤，對每個模擬量建立一個16字的先進(jìn)先出樣值寄存器，將樣值進(jìn)行16次平均，并換算為實際值存入發(fā)送隊列。參數(shù)處理任務(wù)的另一個功能是根據(jù)預(yù)設(shè)的告警門限判斷告警狀態(tài)，并存入相應(yīng)的告警狀態(tài)位中。
命令處理任務(wù)負(fù)責(zé)解釋和響應(yīng)串口收到的各種命令，主要包括泵浦靜態(tài)參數(shù)設(shè)置命令、動態(tài)參數(shù)讀取命令、泵浦開啟關(guān)閉命令等。靜態(tài)參數(shù)包括PD響應(yīng)度、告警門限、泵浦預(yù)設(shè)功率等，動態(tài)參數(shù)為各種模擬量。命令和參數(shù)都以ASCII字符方式進(jìn)行處理，便于在計算機(jī)上利用超級終端或串口調(diào)試器等軟件進(jìn)行調(diào)試。本控制裝置的另一個重要特點是采用命令行方式實現(xiàn)泵浦參數(shù)的計算機(jī)設(shè)置及讀取，方便調(diào)試。
權(quán)利要求
1.一種泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，包括自動功率控制電路(APC)及自動溫度控制電路(ATC)，其特征在于所述的自動功率控制電路(APC)和自動溫度控制電路(ATC)均采用脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)，分別驅(qū)動泵浦激光器(8)和致冷器(21)，從而實現(xiàn)泵浦激光器的自動功率控制和自動溫度控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，其特征在于所述的自動功率控制電路(APC)由一個光電流檢測電路(2)經(jīng)一個單片機(jī)(22)和一個PWM發(fā)生和驅(qū)動電路(6)連接一個濾波器(7)組成，所述的其采用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動泵浦激光器是光電流檢測電路(2)檢測泵浦(1)的背光信號，單片機(jī)(22)采樣此信號并計算出誤差電壓控制PWM發(fā)生和驅(qū)動電路(6)，然后輸出的脈沖經(jīng)濾波器(7)濾波后驅(qū)動泵浦激光器(8)；所述的自動溫度控制電路(ATC)由一個溫度誤差電橋(13)經(jīng)一個ATC控制芯片(23)和一個MOS橋(19)連接一個濾波器(20)構(gòu)成，所述的其采用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動致冷器(21)是溫度誤差電橋(13)將泵浦溫度變化變換為誤差電壓輸出給ATC控制芯片(23)，ATC控制芯片(23)輸出相應(yīng)的PWM脈沖驅(qū)動MOS橋(19)，然后經(jīng)濾波器(20)濾波后驅(qū)動致冷器(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，其特征在于所述的單片機(jī)(22)采用ADμC832型單片機(jī)，該單片機(jī)(22)植入PID算法軟件實現(xiàn)所述的誤差電壓計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，其特征在于所述的單片機(jī)(22)采用計算機(jī)命令行方式設(shè)置和讀取各種參數(shù)，便于調(diào)試。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，其特征在于所述的ATC控制芯片采用ADN8830型芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置，其特征在于所述的APC部分PWM發(fā)生和驅(qū)動電路采用DRV593型芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種泵浦激光器的自動功率及溫度控制裝置。它包括自動功率控制電路和自動溫度控制電路，該兩電路均采用脈沖寬度調(diào)制方式分別驅(qū)動泵浦激光器和致冷器，從而實現(xiàn)泵浦激光器的自動溫度控制及自動功率控制。本發(fā)明極大地降低了泵浦控制器的功耗和體積。整個裝置采用單片機(jī)進(jìn)行控制，并設(shè)定和讀取各種參數(shù)。
文檔編號H01S3/0941GK1694321SQ20051002658
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者宋英雄, 李迎春, 張瑞峰, 陳健, 許志榮, 顧建, 蘇皆磊 申請人:上海大學(xué), 上海天博光電科技有限公司