基于EDFA模塊實現(xiàn)高精度、寬范圍的溫控電路設(shè)計

1 引言

EDFA模塊主要包括兩部分：光路模塊和電路模塊。光路模塊的功能是光信號的驅(qū)動放大，電路模塊則用于對光路模塊中泵源980nm激光器進行測控，使EDFA整機按預(yù)定預(yù)置的各項指標長期穩(wěn)定、可靠的工作。本文設(shè)計了一種高精度、寬范圍的溫控電路。

2 980nmLD組件特性

2.1 980nmLD組件

980nmLD載體器件安裝在半導(dǎo)體制冷器上，通過改變流過制冷器的電流方向（決定致冷或加熱）和大小，調(diào)節(jié)載體的溫度。載體上安裝有熱敏電阻 RT為溫度傳感器。

2.2 980nmLD的熱傳導(dǎo)模型

若流入（出）載體的熱量速率為q ， 載體向周圍散發(fā)（吸收）的熱量速率為qs ，根據(jù)熱力學定律有如下關(guān)系：

Cdθ/dt=q-qs （1）

式中，C是載體的熱容量。載體溫度 θ的大小決定于i流過半導(dǎo)體制冷器產(chǎn)生的電功率。因而 q與i為函數(shù)關(guān)系，且為非線性關(guān)系：q = f （i）。 由于最關(guān)心的是穩(wěn)定值（亦工作點Θ 0 ，I0）附近的變化。為此，將函數(shù) q = f （i）進行線性化處理；并考慮到：

qs=θ/R （2）

R是載體向周圍傳熱的熱阻；并令： CR=T0，T0是 θ（t）變化的時間常數(shù)；kR=K 0，

則式（1）可寫成動態(tài)方程：

這就是流過半導(dǎo)體制冷器的電流I （t）與載體溫度q（t）的動態(tài)微分方程。若 i（t）象函數(shù)為I（s）；q （t）的象函數(shù)為Q（s），則式（4）可寫成傳遞函數(shù)形式：

顯然，這是一個慣性環(huán)節(jié)。

設(shè)熱敏電阻RT的熱容量為 CT，載體向熱敏電阻輸出熱量的速率為 qT，熱阻為RW。在載體溫度 θ的作用下，RT的溫度θ T由以下方程描述：

用傳遞函數(shù)表示：θ（t） 象函數(shù)為Θ（s）： θT（t）象函數(shù)為Θ T（s）則

其中，TW=C TRW，這是積分環(huán)節(jié)。

3 用于溫度穩(wěn)定的（模擬）自調(diào)系統(tǒng)

為了使980nmLD穩(wěn)定在預(yù)置（或給定）的溫度上，溫控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成自調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象是“制冷器”，輸出量是載體溫度 θ（t），象函數(shù)是Θ（s）；輸入量，亦給定值以電壓形式 uD（t）輸入，其象函數(shù)為U D（t），則自調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖1所示。以下給出組成方框圖各部分的硬件電路，然后對系統(tǒng)的品質(zhì)和誤差進行分析和檢測。

3.1 可控恒流源

在圖1溫控系統(tǒng)中，可控恒流源實質(zhì)上是執(zhí)行機構(gòu)。圖2（a）是可控恒流源電原理圖。圖中：IC1是電流取樣負反饋放大器；IC2是誤差放大器，；T1 、T2構(gòu)成電流放大器。

圖2（a）是由電流負反饋電路構(gòu)成的恒流源。輸出恒流i（t）流入制冷器。經(jīng)推導(dǎo)i （t）與輸入（控制）電壓ui（ t）有如下關(guān)系：

顯然KI為常數(shù)。這就是說，恒流源的輸出與運放及晶體管參數(shù)無關(guān)，只與電阻R1、 R2和R0有關(guān)。因此，本恒流有很高的穩(wěn)定性。圖2（b）中，由T3～T6構(gòu)成橋開關(guān)。由數(shù)字開關(guān)信號 Vp（TTL電平）控制恒流源輸出電流的方向。

3.2 溫度測量反饋電路

由于載體溫度與熱敏電阻R T的阻值為單值單調(diào)對應(yīng)關(guān)系。因此，通過檢測裝在載體中的熱敏電阻 RT的阻值來確定載體溫度。圖3是常用的溫度-電壓變換電橋電路。

由圖可知，電橋輸出（uT -u0），再經(jīng)放大得：

若對應(yīng)溫度q1 、q2、q3的輸出定為 u01、 u02 u03，則線性化的條件是u 02=（u03-u01 ）/2。為簡化，令u01=0，u 02= u03/2，根據(jù)R1和 q的對應(yīng)關(guān)系，可選q1=0℃，q 2=25℃，q3=50℃，對應(yīng)的電阻為： R T1，R T2和R T3，滿足三點線性化的方程組：

解方程得：

將R T1、R T2、RT3代入上式得：R 0=7.837kΩ，并計算出θj- uj曲線，如圖4所示，該曲線在0℃、25℃和50℃三點滿足線性化條件，曲線近似成直線，則 Ui（t）=K jqj（t） （8）

Kj為直線斜率，計算得 Kj=94.387mV/℃。

3.3 系統(tǒng)品質(zhì)分析

由圖1，可得輸入為給定量象函數(shù)U D（s），輸出為溫度象函數(shù)Θ（s ），溫度自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

當給定值不變，或UD （s）=0，擾動電壓UN（s ），溫度變化ΘN（s），方框圖如圖5所示。

由圖5可得在UN（ s）作用下的擾動傳遞函數(shù)：

由圖1，當UN（s ）=0狀態(tài)下，得出誤差信號e（t）的象函數(shù) E（s）：

由式（9）～（11），對系統(tǒng)品質(zhì)如下分析。 （1）無靜差系統(tǒng)

若擾動信號uN（ t）=1（t），擾動靜差qN （t）可根據(jù)終值定理求得：

其中：UN（s ）=1/s，引入式 （10），則：

為無擾動靜差。由式 （11），不難求得給定靜差。令UD（s ）=1/s，則給定靜差：

e（t）|=limsxE（s）=0

（2）最佳狀態(tài)

由式（9）可寫出系統(tǒng)的特征方程：

T0s2 +s+KVKI K0Kj/T W =0 （12）

首先判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。由式（12）可知，方程的各階系數(shù)均大于零，且不缺項，根據(jù)代數(shù)法穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定。

再根據(jù)方程的根：

因圖1中的比較放大器KV 是比例放大器（電路圖略），改變放大器的比例電阻，亦可改變 KV。改變KV可使系統(tǒng)出現(xiàn)三種狀態(tài)：欠阻尼狀態(tài)、過阻尼狀態(tài)、臨界狀態(tài)，若使4KVK IK0KjT 0/TW 在0附近，則系統(tǒng)進入臨界狀態(tài)，此時上升時間短而又不振蕩，為最佳狀態(tài)。實驗表明此時 KV為40～50。

3.4 系統(tǒng)誤差分析

上述自調(diào)系統(tǒng)的溫控精度實測結(jié)果是：窄溫控范圍（15～25℃），長期穩(wěn)定度±0.2℃；寬溫控范圍（5～40℃），長期穩(wěn)定度±0.4℃；顯然，這與不超過±0.1℃的技術(shù)要求存在差距。

上述自調(diào)系統(tǒng)的誤差源經(jīng)開環(huán)檢測，主要是橋式溫度-電壓變換電路的電源電壓EO的穩(wěn)定度，電橋輸出放大器的零點漂移，其次是可控恒流源的電流漂移。

4 建立微機溫度雙回路數(shù)字測控系統(tǒng)

圖1所示的系統(tǒng)是單回路自動控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，再加入一個以微機為核心的測控回路，構(gòu)成雙回路數(shù)字測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖6所示。圖6 中，PC是單片機，鍵盤、顯示器為人、機界面。溫度精測電路可實現(xiàn)比圖1的測溫電路更精確的溫度測量。然后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，PC進行數(shù)據(jù)處理。并依據(jù)輸出溫度與設(shè)定溫度的偏差，PC經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換給出微調(diào)值。這是一個負反饋的過程。

圖6所示系統(tǒng)提高溫控精度的主要措施有以下幾點。

4.1 應(yīng)用電阻比較法，提高測溫精度

將圖3電路中的R0、 RT 電橋臂直接用微機進行檢測，電原理圖如圖7所示。

圖中：IC1為高阻輸入射隨器，保證對 R0、RT測量不分流。IC2為差動放大器，可較好地消弱共模噪聲電壓。IC2放大倍數(shù)KC2決定于計算機A/D 轉(zhuǎn)換量程?？刂苪p2 數(shù)字信號，分別測量EO，u T，則

由于uT、E0是直接測量所得。盡管由于 E的變化引起UT、E0 的相應(yīng)變化，微機（通過A/D轉(zhuǎn)換）仍能準確測量瞬時值。由于測量速度很快，兩次測量可認為放大器增益KC2變化極小。因而，通過式（14）可精確計算RT值，且測量精度與 E的變化和KC2的變化無關(guān)，只決定于 uT、E0的檢測精度和 R0的精度。必須指出的是，這種電阻比較法，只適用于微機測量。這是本文提出的新方法。

4.2 應(yīng)用數(shù)字濾波和零點補償，有效消弱放大器的零點漂移

為消弱測量UT、 E0的隨機誤差和放大器的零漂，使測量精度進一步提高，采用數(shù)字濾波和零點補償法。測量數(shù)學模型為：

式中：n 為測量次數(shù)；E0i、U Ti和U0i分別為第i次測量E0、u T和U0值。U0 為IC1、IC2的零位電壓，可以通過模擬開關(guān)K使IC1接地進行測量。測量精度可達0.1%，相對溫度誤差±0.02℃。

4.3 應(yīng)用單片機進行補償

在圖6所示的數(shù)字溫控（微調(diào)）過程中，單片機是按一定采樣周期進行調(diào)整的。設(shè)ＵDAS 為給定或要求達到的給定電壓值，UDAS （N）為任意第N 個采樣周期的UDAS值。同樣，設(shè)U DA 為實測（或采樣）的電壓值，ＵDA （N）為任意第N 個采樣周期的UDA值。為了達到精密的測控 ［4］，微機依據(jù)UDA（N ）與UDAS（N）的差，通過D/A 轉(zhuǎn)換器給出負反饋特征的調(diào)整量，使UDA 向接近UDAS變化，向消除兩者之差的方向變化。同時考慮 UDA 隨時間的變化速率，還要考慮UDA（ N）與其前一周期UDA（N- 1 ）的變化。因而總的電壓調(diào)整增量應(yīng)為：ΔU=U DAS（N）+UDA（N -1）-2UDA（N）。這就是微機進行微調(diào)補償?shù)臄?shù)學模型。

通過上述一系列措施，使圖6給出的雙回路溫控系統(tǒng)的溫控范圍達到10～35℃、溫控精度達到±0.03～±0.05℃，滿足了寬范圍、高精度的要求。

5 結(jié)束語

本文所述的溫控電路，已成功的應(yīng)用于EDFA 模塊的溫度測控。達到了預(yù)期要求的寬范圍（10～35℃）、高精度（±0.03～±0.05℃）、高可靠性。所有實用化的EDFA產(chǎn)品，經(jīng)過近5年的現(xiàn)場運行，都未出現(xiàn)任何問題。

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