基于EDFA模块实现高精度、宽范围的温控电路设计

1 引言

EDFA模块主要包括两部分：光路模块和电路模块。光路模块的功能是光信号的驱动放大，电路模块则用于对光路模块中泵源980nm激光器进行测控，使EDFA整机按预定预置的各项指标长期稳定、可靠的工作。本文设计了一种高精度、宽范围的温控电路。

2 980nmLD组件特性

2.1 980nmLD组件

980nmLD载体器件安装在半导体制冷器上，通过改变流过制冷器的电流方向（决定致冷或加热）和大小，调节载体的温度。载体上安装有热敏电阻 RT为温度传感器。

2.2 980nmLD的热传导模型

若流入（出）载体的热量速率为q ， 载体向周围散发（吸收）的热量速率为qs ，根据热力学定律有如下关系：

Cdθ/dt=q-qs （1）

式中，C是载体的热容量。载体温度 θ的大小决定于i流过半导体制冷器产生的电功率。因而 q与i为函数关系，且为非线性关系：q = f （i）。 由于最关心的是稳定值（亦工作点Θ 0 ，I0）附近的变化。为此，将函数 q = f （i）进行线性化处理；并考虑到：

qs=θ/R （2）

R是载体向周围传热的热阻；并令： CR=T0，T0是 θ（t）变化的时间常数；kR=K 0，

则式（1）可写成动态方程：

这就是流过半导体制冷器的电流I （t）与载体温度q（t）的动态微分方程。若 i（t）象函数为I（s）；q （t）的象函数为Q（s），则式（4）可写成传递函数形式：

显然，这是一个惯性环节。

设热敏电阻RT的热容量为 CT，载体向热敏电阻输出热量的速率为 qT，热阻为RW。在载体温度 θ的作用下，RT的温度θ T由以下方程描述：

用传递函数表示：θ（t） 象函数为Θ（s）： θT（t）象函数为Θ T（s）则

其中，TW=C TRW，这是积分环节。

3 用于温度稳定的（模拟）自调系统

为了使980nmLD稳定在预置（或给定）的温度上，温控系统应设计成自调系统。该系统的调节对象是“制冷器”，输出量是载体温度 θ（t），象函数是Θ（s）；输入量，亦给定值以电压形式 uD（t）输入，其象函数为U D（t），则自调节系统方框图如图1所示。以下给出组成方框图各部分的硬件电路，然后对系统的品质和误差进行分析和检测。

3.1 可控恒流源

在图1温控系统中，可控恒流源实质上是执行机构。图2（a）是可控恒流源电原理图。图中：IC1是电流取样负反馈放大器；IC2是误差放大器，；T1 、T2构成电流放大器。

图2（a）是由电流负反馈电路构成的恒流源。输出恒流i（t）流入制冷器。经推导i （t）与输入（控制）电压ui（ t）有如下关系：

显然KI为常数。这就是说，恒流源的输出与运放及晶体管参数无关，只与电阻R1、 R2和R0有关。因此，本恒流有很高的稳定性。图2（b）中，由T3～T6构成桥开关。由数字开关信号 Vp（TTL电平）控制恒流源输出电流的方向。

3.2 温度测量反馈电路

由于载体温度与热敏电阻R T的阻值为单值单调对应关系。因此，通过检测装在载体中的热敏电阻 RT的阻值来确定载体温度。图3是常用的温度-电压变换电桥电路。

由图可知，电桥输出（uT -u0），再经放大得：

若对应温度q1 、q2、q3的输出定为 u01、 u02 u03，则线性化的条件是u 02=（u03-u01 ）/2。为简化，令u01=0，u 02= u03/2，根据R1和 q的对应关系，可选q1=0℃，q 2=25℃，q3=50℃，对应的电阻为： R T1，R T2和R T3，满足三点线性化的方程组：

解方程得：

将R T1、R T2、RT3代入上式得：R 0=7.837kΩ，并计算出θj- uj曲线，如图4所示，该曲线在0℃、25℃和50℃三点满足线性化条件，曲线近似成直线，则 Ui（t）=K jqj（t） （8）

Kj为直线斜率，计算得 Kj=94.387mV/℃。

3.3 系统品质分析

由图1，可得输入为给定量象函数U D（s），输出为温度象函数Θ（s ），温度自调节系统的传递函数：

当给定值不变，或UD （s）=0，扰动电压UN（s ），温度变化ΘN（s），方框图如图5所示。

由图5可得在UN（ s）作用下的扰动传递函数：

由图1，当UN（s ）=0状态下，得出误差信号e（t）的象函数 E（s）：

由式（9）～（11），对系统品质如下分析。 （1）无静差系统

若扰动信号uN（ t）=1（t），扰动静差qN （t）可根据终值定理求得：

其中：UN（s ）=1/s，引入式 （10），则：

为无扰动静差。由式 （11），不难求得给定静差。令UD（s ）=1/s，则给定静差：

e（t）|=limsxE（s）=0

（2）最佳状态

由式（9）可写出系统的特征方程：

T0s2 +s+KVKI K0Kj/T W =0 （12）

首先判断系统是否稳定。由式（12）可知，方程的各阶系数均大于零，且不缺项，根据代数法稳定判据，系统稳定。

再根据方程的根：

因图1中的比较放大器KV 是比例放大器（电路图略），改变放大器的比例电阻，亦可改变 KV。改变KV可使系统出现三种状态：欠阻尼状态、过阻尼状态、临界状态，若使4KVK IK0KjT 0/TW 在0附近，则系统进入临界状态，此时上升时间短而又不振荡，为最佳状态。实验表明此时 KV为40～50。

3.4 系统误差分析

上述自调系统的温控精度实测结果是：窄温控范围（15～25℃），长期稳定度±0.2℃；宽温控范围（5～40℃），长期稳定度±0.4℃；显然，这与不超过±0.1℃的技术要求存在差距。

上述自调系统的误差源经开环检测，主要是桥式温度-电压变换电路的电源电压EO的稳定度，电桥输出放大器的零点漂移，其次是可控恒流源的电流漂移。

4 建立微机温度双回路数字测控系统

图1所示的系统是单回路自动控制系统，在此基础上，再加入一个以微机为核心的测控回路，构成双回路数字测控系统，该系统如图6所示。图6 中，PC是单片机，键盘、显示器为人、机界面。温度精测电路可实现比图1的测温电路更精确的温度测量。然后经模/数转换，PC进行数据处理。并依据输出温度与设定温度的偏差，PC经数/模转换给出微调值。这是一个负反馈的过程。

图6所示系统提高温控精度的主要措施有以下几点。

4.1 应用电阻比较法，提高测温精度

将图3电路中的R0、 RT 电桥臂直接用微机进行检测，电原理图如图7所示。

图中：IC1为高阻输入射随器，保证对 R0、RT测量不分流。IC2为差动放大器，可较好地消弱共模噪声电压。IC2放大倍数KC2决定于计算机A/D 转换量程。控制up2 数字信号，分别测量EO，u T，则

由于uT、E0是直接测量所得。尽管由于 E的变化引起UT、E0 的相应变化，微机（通过A/D转换）仍能准确测量瞬时值。由于测量速度很快，两次测量可认为放大器增益KC2变化极小。因而，通过式（14）可精确计算RT值，且测量精度与 E的变化和KC2的变化无关，只决定于 uT、E0的检测精度和 R0的精度。必须指出的是，这种电阻比较法，只适用于微机测量。这是本文提出的新方法。

4.2 应用数字滤波和零点补偿，有效消弱放大器的零点漂移

为消弱测量UT、 E0的随机误差和放大器的零漂，使测量精度进一步提高，采用数字滤波和零点补偿法。测量数学模型为：

式中：n 为测量次数；E0i、U Ti和U0i分别为第i次测量E0、u T和U0值。U0 为IC1、IC2的零位电压，可以通过模拟开关K使IC1接地进行测量。测量精度可达0.1%，相对温度误差±0.02℃。

4.3 应用单片机进行补偿

在图6所示的数字温控（微调）过程中，单片机是按一定采样周期进行调整的。设ＵDAS 为给定或要求达到的给定电压值，UDAS （N）为任意第N 个采样周期的UDAS值。同样，设U DA 为实测（或采样）的电压值，ＵDA （N）为任意第N 个采样周期的UDA值。为了达到精密的测控 ［4］，微机依据UDA（N ）与UDAS（N）的差，通过D/A 转换器给出负反馈特征的调整量，使UDA 向接近UDAS变化，向消除两者之差的方向变化。同时考虑 UDA 随时间的变化速率，还要考虑UDA（ N）与其前一周期UDA（N- 1 ）的变化。因而总的电压调整增量应为：ΔU=U DAS（N）+UDA（N -1）-2UDA（N）。这就是微机进行微调补偿的数学模型。

通过上述一系列措施，使图6给出的双回路温控系统的温控范围达到10～35℃、温控精度达到±0.03～±0.05℃，满足了宽范围、高精度的要求。

5 结束语

本文所述的温控电路，已成功的应用于EDFA 模块的温度测控。达到了预期要求的宽范围（10～35℃）、高精度（±0.03～±0.05℃）、高可靠性。所有实用化的EDFA产品，经过近5年的现场运行，都未出现任何问题。

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