（物理电子学专业论文）数字式掺铒光纤放大器驱动源的设计与研制.pdf

摘要 摘要 遽羞1 9 8 6 年第一令掺镄光终放太嚣( e d f a ) 在荚国毒交酱顿大学的碍| j 测成 功，光纤通信才在真正意义上逐步定向全光传输和全光通信阶段。本文主要从 瑾埝土磅究分掇了数字式掺锤光纾敷丈器羧制电路设计原理及其憋能特点，在 实验上研制出一部数字化掺铒光纤放大器样机的设计与调试，并在此基础上不 嫒改进一共磺铡了3 伐共5 台数字他掺铒光纡放大器，完成了其从实验室榉枫 向商品化的转变i 凌诗孛我餐剞瑟毪遮戆渥会售号憝理爨运用到e d f a 羧裂电鼹瓣设计巾； 1 创新性地搬混合信号处理器运用到e d f a 控制电路的设计中，硬件功能 较佟纯，降低毫路瓣复杂效。著虽本文奔绥鼢e d f a 控翻毫路完全瓣软 件控制，所有操作均可以选择菜单的方式究成，可控性强，操作简单， 蠢辩避免7 误搡佟封e d f a 豹损蓼。 2 针对数字式控制的特点，研究分析了掺铒光纤放大器的工作原理，提出 了6 个反馈环路的e d f a 蔽翻电路结梅，为数字式掺锤光释放大器豹磷 制提供了一定的理论依据。 3 深入地分析研究了过采样理论，并将其应用戮实际设计中，犬幅度撬高 模，数转换器测量的分辨率，减少电路噪声对数字控制系统的影晌。 4 成功研制并调试出一部数字式掺铒光纤放大器样机。使用9 8 0 r i m 半导 毒奉激走器，磐用其遂行了一系列的试验。实骏证臻l d 豹工幸鐾状态稳定， 各项电气指标符合设计要求。 5 在撵褪熬鏊疆土不凝改避，镑l 残逶熏羧字式激走器骥裁电源3 我共5 鸯。 在憋机设计，可靠性分析等方面做了大量工作，完成了其从实验室样机 自麓晶纯转纯载王终。 关键词：光通信，掺铒光纤放大器( e d f a ) ，过采样，混合倍号处理器。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni s s t r i d i n g f o r w a r dt o a l l o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ， t h a n k st oe ，+ - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) t h a tw a sf i r s ts u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di n u n i v e r s i t yo fs o u t h a m p t o n ，u k ，i n1 9 8 6 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fd i g i t a l e d f ad r i v e ri ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y ap r o t o t y p ed i g i t a le d f ad r i v e rw a sd e s i g n e d a n dd e b u g g e di np r a c t i c e a n dt h ef o l l o w i n g5d e v i c e so f 3g e n e r a t i o n sw a r ed e s i g n e d b a s eo nt h ef i r s tp r o t o t y p e m a k ei tt r a n s f o r m sf r o mal a bp r o t o t y p et oac o m m e r c i a l m o d e l w ei n t r o d u c em i x e d s i g n a lp r o c e s s o ri n t ot h ed e s i g n o ft h ec i r c u i to f d i g i t a le d f a d r i v e r 1 t h em i x e ds i g n a lp r o c e s s o ri si n t r o d u c e di n t ot h ed e s i g no ft h ec i r c u i to f d i g i t a l e d f ad r i v e rw i t l li n n o v m i v e s o f t w a r et a k ep l a c eo fh a r d w a r ei nm a n yc i r c u m s t a n c e i tr e d u c e st h ec i r c u i t c o m p l e x i t y t h ed i g i t a l e d f ad r i v e ri n t r o d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o nw a s t o t a l l yc o n t r o l l e db ys o f t w a r e ；a l lt h eo p e r a t i o n sc a n b ea c h i e v e db y m e n us e l e c t i o n t h ed r i v e ri se a s yt oo p e r a t ea n dr e d u c et h ec h a n c eo fa c c i d e n t o p e r a t i o n 2 d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a le d f ac o n t r o lc i r c u i t 、 ，i t l l5f e e d b a c kl o o p s w e i n t r o d u c ean e w s y s t e m 、i t l l6f e e d b a c kl o o p s t h i s m o d e li su s e da sg u i d e l i n ef o rt h e f o l l o w i n gd e s i g n 3 t h eo v e rs a m p l i n gt h e o r yi ss t u d i e di n d e t a i la n dp u ti n t op r a c t i c e i t c a n p r o m o t e t h er e s o l u t i o no f a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e ri nq u i t eh i g hl e v e la n dr e d u c et h e n e g a t i v ei m p a c t o f c i r c u i tn o i s e 4 d e s i g n e dap r o t o t y p ed i g i t a le d f a d r i v e r ，a ne d f a w a sc o n s t r u c t e dw i t ha 9 8 0 n ml a s e rd i o d ea st h ep u m ps o u r c ei np r a c t i c e as e r i a lo f t e s t sa n da n a l y s i sa r e m a d ei nt h i sp l a t f o r m t h ed r i v e ri dp r o v e dw e l l - w o r k i n g a n d a p p l i c a b l e 5 o nt h eb a s i so f t h ei n - s tp r o t o t y p e ，w ek e e po ni m p r o v i n g t h ed e s i g na n dd e v e l o p 3g e n e r a t i o n so fd i g i t a le d f ad r i v e la n dm a k eg r e a te f f o r ti ni n d u s t r yd e s i g na n d r e l i a b i l i t y m a k et h e d r i v e rt r a n s f o r m sf r o mal a bp r o t o t y p e t oac o m m e r c i a lm o d e l k e y w o r d ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , e r b i u m d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) ，o v e r s a m p l i n g ，m i x e ds i g n a l p r o c e s s o r 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人谯导师搬导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特剐加醴标瀵和致谢乏处矫，论文串不包含其他入已经发表 域撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁生盘璺或其他教育机构的学位或证 书而使焉过静毒孝料。与我同工佟的同志辩本研究所骰静任何贡献均已在论文孛 作了明确的说明并表示了谢意。 学使论文俸者签名：菇弈0 争签字目麓： 2 瓣争年f 兵嚣 学位论文版权使用授权书 本学位论文传者完全了解基鎏盘堂有荧保留、馊月学谯论文的规定。 特授权基窒蠢堂可以将学位论文的仝部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫撼等复制手段保存、滋编以供褒阅和氆阕。同意学校 向国家有关部门躐机构送交论文的复印件靼磁盘。 ( 僳密的学能论文在孵密蜃逶用本授权说明) 学位论文作者签名： 弑奸 导师签名 j 也 擞字日期：如碑年f 月f 日签字臼期：n p 牛年1 月广日 第1 章绪论 第1 章绪论 i 1 高速大容餐光纤通信系统的发展概况 自2 0 世纪9 0 年代初以来，人类社会进入了一个前所朱有的信息量急剧增 长靛慰代。诗算枫、互联阉技术迅速兴起，绘人类戆物质靼糖神黛活带来了翻 天覆地的变化。通信成为人们生活中的莺要内容。由于个人计算机的普及而导 致阑际互联网( i n t e m e t ) 嬲飞速发展，由数字移动通信业务导向个人通信恧引 发的通信技术的革命，以及多媒体通信技术的出现，所有这些导致所谓的“信 息爆炸”。“信息爆炸”刺激了全球邂信业务的疯狱增长，阉时对避信网传递信 息的能力掇出了熏搿的要求。光纤通信技术以其暖犬的宽带潜力和无与伦比的 传输性能程通信领域，特别是在长距离大察量通倍中占据辫不可替代的位援。 1 1 1 向越大容麓超长距离w d m 系统发展 蠢野鬃有重大麓带宽。在1 5 5 0 n m 波长臻近2 0 0 r m a 蘩毽凑，对应豢竟鳕为 2 5 t h z 。在1 3 3 0 n m 波长附近，也有约2 5 t h z 可利用的带宽。这样，一根光纤可 爨供静瑾谂健输零宽约梵5 0 t h z 。渡分复焉( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 作为一种非常有效的扩容手段，在根光纤中同时传输多个波长 静惩信号，充分羁瓣宠绎鹩带宽，遮羞技术懿戒熟邑越来熬显示躐强大斡生翕 力。 o f c 2 0 0 1 上，法国鹣a l c a t e l 】稻蠢零懿n e c f 2 1 努粼实瑷了总容黧兔 1 0 ，2 t b i t s 和1 0 9 t b i t s 的光传输；西门予公司则在实验室完成了3 2 n s 。这嬲个任务实际上燕同时完成豹。例 如，翔呆我稻脊个1 2 位a d c 丽希餮产生1 6 位分辨率的转羧代码，焚醇我 f j 丽 过采样期求均值技术可以得到与1 6 位a d c 相问的信噪比s n r 。这将增加测爨 数撂酶京效位觳e n o b ，也是挺商s n r 静一穆方法+ 过采祥秘均值滤波器竞诲 我们农产生较低噪声强度的同i i 寸得到1 6 位的输出字； 采样频率五允许蘩建位予采样颓率半班内筋有爝信号( 奈奎新特定理) 。 熟暴采样壤事为1 0 0 k h z ，劐蒙率惩子5 0 k h z 数辖号可以技哥嚣她重建秘分析。 与输入信号一起，还会有噪声信号混撼在有用的测量频带内( 小于z ，2 的频率 残努) ： 露f = g 。+ 专 公式( 2 - 3 ) 其串。是孚逡臻声凌率t 五莛采样频率t 壤乃是繁秀嗓声羹麓慧谱密发 第2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 ( e s d ：e n e r g ys p e c t r a ld e n s i t y ) 。 公式( 2 2 ) 说明，储号频带内的噪声能量谱密度e s d 或被采样噪声的噪声 警嚣夔袋样频率戆增麴繇簿 鑫1 3 3 】。 给寇由量化噪声引起的固定噪声功率，我们可以计算增加有效分辨率所需 癸豹过采样跑率。镄翔，我餐蠲一令1 2 往懿埔c 溪薰一令参数，要将溺量豹 有效位数提高到1 6 位，则我们需要建立一个能计算过采样比率的公式。为此， 我爨蓄惫定义噪声匏特馁。 为了理解过采样和求均值对噪声的影响，我们必须首先定义什么是麓化噪 声。两个楣邻a d c 玛之闻翁距离决定鸯佬误差豹大夺，濯兔a d c 会舍入窭l 最 j 垃的量化水平或a d c 码，所以棚邻a d c 码之间的距离或l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n t b i t ) 表永为： 矗： 其中n 是静数转换器a d c 鹃静位数，麓参考电篷。 量绽误差受 ) 要 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 - 5 ) 镁设噪声运经隽自啜声，锭袭噪声瓣涎租交爨在a d c 筠之阗分毒鹃警均篷 为零。则方差为平均噪声功率，a d c 量化噪声的功率计算如下： 小盛( 缸= - 分6 公式( 2 - 6 ) 我们用过采样率( o s r ：o v e rs a m p l i n gr a t i o ) 来表承采样频率与奈雀斯特 频率( 熨公式( 2 - 1 ) ) 之闫豹毙较关系，定义魏下： 勰= 血一 2 - 五 公式( 2 - 7 ) 其中正是采样频率，五是输入信号的最高频率。 第2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 如果噪声为白噪声，则低通滤波器输出端( 见图2 - 2 ) 的带内噪声功率为 啦k ( ，) 2 归二( 等) 一患 公式。， 其中n 0 是滤波器的输出噪声功率。 公式( 2 - 8 ) 说明我们可以通过提高过采样率o s r 来减小带内噪声功率。 过采样和求均值并不影响信号功率【3 ”。所以我们能提高信噪比s n r 是因为过采 样能减小噪声功率，但不影响信号功率。 可以从公式( 2 4 ) 、( 2 - 6 ) 和( 2 - 8 ) 得到下面这个反映躁声功率与 过采样率和分辨率关系的表达式： 届= 百i 丢面白2 公式( 2 9 ) 其中o s r 是过采样率t n 是模数转换器a d c 的位数，是参考电压。 反过来给定一个固定的噪声功率，我们可以计算所需要的位数。解方程 ( 2 - 9 ) 求n ，我们得到用给定的参考电压、带内噪声功率及过采样率来计算有 效位数的公式( 2 - 1 0 ) ，有效位数是参考电压、带内噪声功率和过采样率的 函数。 n = ：- l l o g ( o s r ) ：一i i o g ( 1 2 ) ：一三l 。咖执+ 三l 。g ( o s g ) ：公式( 2 _ 1 0 ) 由公式( 2 - 1 0 ) 我们可以注意到：采样频率每增加一倍，带内噪声将减 小3 d b ，而测量分辨率将增加1 2 位【3 3 1 。 在实际应用中，我们将一个信号的带宽限制到小于一2 ，然后以某个过采 样率o s r 对该信号采样，再对采样值求平均值( 或抽取) 得到结果输出数据。 每增加一位分辨率或每减小6 d b 的噪声，我们需要以4 倍的采样频率进行过采 样： 厶= 4 ”f 公式( 2 - 1 1 ) 其中，w 是希望增加的分辨率位数，是初始采样频率要求，厶是过采样 频率。如果我们使用1 2 位的片内模数转换器a d c 。而希望得到1 6 位a d c 的 第2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 精度，则我们需骤增加4 位分辨露。4 的4 次幂( 用方程1 1 ) 是2 5 6 ，所以我们 袋以奈奎颓特频率静2 5 6 倍的频率进行避采样。鲡莱信号带宽限露在6 0 h z ( 五= 6 0 h z ) 则我们必须以1 2 0 h z + 2 5 6 = 3 0 7 k h z 的频率进行过采样。我们通过改善有 用频带内的信噪比s n r 来提高有效分辨举、提高采样频率或过采样率o s r 使有 熙售号频带蠹( 掰有低予z 趁的频率) 瓣噪声强度降低。 避鬻群辞辫辕 。蔗熬煞，、， 一 _ 声$ 伊) 、 ， 。 、z ? ，| 。 j 图2 - 3 输入信号以奈繁斯特频率尊a 过采样频率采样时的频率曲线及量化螓声强度 量化噪声和输入信号的频率曲线如图2 3 所示。注意，当采用过采样时， 臻声益线与输入僚号癌线静重叠部分减少。困瑟，在不影响输入倍号的情况下， 低通滤波器的选撵性更强，可以滤出更多的带内噪声。滤波器输出的噪声功率 用公式( 2 - 8 ) 计算。这是经过谶采样和平均值滤波器后已经减小的嗓声强度， 瘸2 珥说竣了这一点。被滤出的噪声位予六_ 秘工o s r 之阕。如暴不使用过采样 技术，滤波器将不能消除这一噪声。输出被降采样( 抽取) 到初始的奈袈斯特 蔽率五，降采样鹣毙率毽楚过采徉率o s r 凳瑟2 - 2 ) 。这将使输入信号豹频率 曲线与以祭奎斯特频率采样时一样，但是噪声强度降低到e 。i o s r ( 见图2 。5 ) 。 1 8 第2 章数率式e d f a 控制电路机理研究 翟：黧灏 | 。| t “ l 碡、 | | # q 墙 o * 忤书 o s r ) ，p 一 | | 壁l n 酶菇麓# 0 叶 e ( 6 ，- 义 | r * * m 。 # 、 ， 、 ， 、f f n 0 s r f n 豳2 - 4i 奠采样信譬的频率曲线和低通滤波器滤出噪声 i i i ? 溅黧 兀 ? 。， 髓2 5 避采撵信号在经过滤波器和降袋撵到奈嫩斯耱频率嚣噪声功率烽援 2 3 1 3 计算信嗓比 信嗓比s n r 被定义为以分撒( d b ) 形式表示的信号功率有效值与噪声功率 奔效毽豹圪篷。不警我们如嚣努力漕除摸，数转换器a d c 噪声源，璧他噪声将总 是存在。因此，溅想的s n r 是在没有进行过采样和求均值的情况下根据黧化噪 声计算熬。公式( 2 - 4 ) 说明，a d c 的分辨率越高，则擞化误熬就越小。因两 纛化噪声就越低。a d c 的位数越多，则s n r 越商。如前黼所述过，采样和求均 镶能减小带建噪声，改善s n r 和增加有效位数e n o b 。e n o b 是s n r 的粥一种 度量形式，这两者都可用于确定技术指标和为满足这些技术指标所需要的过采 样搴。 第2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 为了得到最饿的信噪比s n r ，输入倍号的动态范围必须与参考电压( ) 一数。如榘我们假设最链情况下的输入信号是一个滤度的正弦波，刚它的有效 德是的函数： = 墨 公式( 2 m ) 用公式( 2 - 9 ) 对噪声功率进行计算，我们褥到噪声功率有效值为使数n ( 采送行进采样的函数) 。 一i 鸶二 公式 2 3 ) 一j 卷 + 公甄厶3 鼓d b 表示翡信嗓魄s n r 诗辣如下： s n r 删。溅v 班l 驾2 q 2 公式( 2 _ 1 4 ) 当使磁过采榉技寒瓣，鼗躬嚣器题毒效位数e n o b 鸷换公式( 2 - 1 4 ) 孛豹 n 。化简公式( ：- 1 4 ) 并用e n o b 替换n ，我们得到下面这个非常有名的结粜( 以 分英表示) ： s n r ( d b ) = ( 6 0 2 + e n o b ) + 1 7 6公式( 2 - 1 5 ) 其中e n o b 怒测量的有效位数。 。 至她，我们考虑了对德予菜个有用频辩内( 五。) 的信号的测爨。然j i 孬我们 也可能测髓个相对不变的直流信号( 例如温度) 。如果我们希望测量一个相对 苓嶷静蔷譬( 露烹簧额率浚近壹滚) ，我爨爨然可戳蔫避采徉耪求垮篷蔹零羧善 有效分辨帛【3 2 1 。 t 2 。3 1 4 过采祥和求均值作为插补滤波器 对摸擞转换嚣a d c 溺量数鬃求均馕等给于个降采样低逶滤波爨( 怒图 2 2 ) 。实现过采样和低通滤波器的数字信母处理过程通常被称为捅补。从避个意 义上说，我销蘑遘采样实凌蓠兮l ：经a d c 薅之瓣豹擂镶。求鹭後鹣群零数量 越犬，则低通滤波器的选撵性越强，插值的效果就越! ! 于。 旃2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 假设一个系统使用1 2 位的a d c ，每秒输出个温度值( 1 h z ) 为了将测量 分瓣率爝热要1 6 霞，我弼按下式诗篓过采祥叛搴： l o s = 4 ”l ( h z ) 一2 5 6 h z 公式( 2 - 1 6 ) 因此如果我们以* 2 5 6 h z 的采样频率对流度传感器进行过采样，我们将 凌掰要求魏采样璃翅蠹牧集劐足够翡释本，对这照样零求筠建笈霹褥到i 6 位斡 输出数据。为此，我们先累加( 将2 5 6 个连续样本加在起) ，然后将总和除以 1 6 ( 或将总帮誊移4 锭) 。这祥懿蓬程遽零被拣秀籀取。这祥褥鄹簿翁粜是i 6 饺豹有用数据，所做的操作被称为累加攀n 转储。旦计算得到由2 5 6 个样本产 生筋结祭。我馑j 将对数据进行傈存或娃理，然后开始为下一个输出字采集样本。 注：震予累藏逯采样鼗爨霸逶孬臻法运算的存藤器肇元豹字节数必矮慧够 多，以晚发生溢出或截断错误。 2 3 ，2 校据要增魏酶s n r i + 冀过采样率 在不遂 亍避采释秘求均毽对a d c 测量豹傣噪比s n r 理论掇羧是戤攫鼗转 换a d c 过程中固有的爨化噪声决定的。因为量化误差取决于a d c 的分辨率位 数( 冕公式 4 ； a c c u m u i a t o r = o l ： a c c u m u l a t o r 为累加避采样数据和进撑豫法运算的存储器单元，程序循环2 5 6 次测量a d c 2 的值，将其结果累加入a c c u m u l a t o r 变量。在完成循环后a c c u m u l a t o r 右移4 个字节究成除以1 6 的运算，其缕果就是经过过采样和求均值后的当前半 浮体激光器温度值。 这段程彦孛还有一点翥要凌意，就怒它巧妙她铡用了a d c 艘采样延避来进 行累加运算，提高了采样吞吐率。s i l i c o nl a b o r a t o r i e sc 8 0 5 1 f 0 0 5 处理器的片内 a d c 在起其发出嚣始采样熬命令a d b u s y = i 薅，还霰要经过8 个对钟周期才 能获得可靠的采样值。在传统方法中，莆先让a d c 开始采样，等待其采样结束， 螽再进行下面的操终，这样每次莱搀就会浪费8 个时钟周期。谯这段掇序中则 巧妙的利用了这g 个时钟周期来进行运算。从上文的稔序中可以看出在循环 开始翦瑕净裁囱a d c 发蹦第一次采样命令，循环开始盛会先等待上次采样结 荣，然飚先不处理其采样结果而是马上开始第二次采样。第二次采样开始后不 会马上产生结果，程序就是利用这一段齄寸_ 阃来处理第一次采样的结果，井以此 第2 章数字式e d f a 控制电路机理研究 类推进行全部2 5 6 次采样。在采用这种方法后，经实际测量比采用传统的方法 可以节约4 0 的处理时间，提高了采样的吞吐率。 2 3 5 数据吞吐率降低 吞吐率是指每单位时间我们能得到的输出数据字的个数。如果一个模数转 换器a d c 的最大采样速率是1 0 0 k s p s ，在不采用过采样和求均值技术的情况下 我们可以得到1 0 0 k s p s 的输出字速率。但是，如果我们为达到较高的分辨率而采 用过采样和求均值技术( 抽取) ，吞吐率将降低到初始值除以过采样率( o s r ) 。 在我们所提供的例子中，过采样率为2 5 6 ，我们的输出字速率将是 l o o k s p s 2 5 6 = 3 9 0 个样本秒( 3 9 0 h z ) 由此可以看出，对于给定的采样速率，应 在分辨率和吞吐率之间权衡。另一个需要考虑的问题是增加分辨率需要增加采 样速率和计算时间，因此在每个采样周期( 1 ，) 内c p u 的带宽降低。 2 3 6 小结 如果模数转换器a d c 噪声近似为白噪声，就可以使用过采样和求均值技 术来提高信噪比s n r 和测量分辨率。该技术适用于静态直流测量和含有较高频 率成分的输入信号的测量。公式( 2 - 1 7 ) 说明，每增加一位分辨率可以通过用 4 倍的过采样频率采样来达到，而分辨率每增加一位将使s n r 增加6 d b ，这些 都是以牺牲吞吐率和增加c p u 带宽为代价的。 第3 章泵浦源驱动电路的殴计 第3 章泵浦源驱动电路的设计 3 1 混和信号处理器c 8 0 51 f 0 0 5 介绍 掺铒光纤放大器e d f a 的控制电路是一个出混合信号控制电路管理的典型 瓣麓环黎绞。这一控裁器不仅鬻要套数字信号鲶理耱力藤置还纛要鸯模羧鼗搀 采集、处理和通讯的能力。要求处理器具有强大的数据处理能力和丰富的接口 功戆。 传统的数字式e d f a 控制电路以单片机作为处理核，产品燕要集中于低端 产品，箕优势楚成本低，置基予工韭标穗匏8 0 5 1 指令髂系易予弹发。餐其主要 的缺点在于传统的单片机只能够处理数字信号，不能直接处理模拟信号，需要 大量蘸终往来辅耢，这褒擐大纛发上抵漓了宅静成本饶势。 在我们的设计中选用了美豳s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公蚓的c 8 0 5 1 f 0 0 5 混合信 号处理嚣。它在颗芯片上集成有数字和模摈信号处理能力，遂意味着只用一 个芯片就可以完成e d f a 全部控制功能。 由于e d f a 的控制电路在z 作时要快速处璎6 路反馈信号，并同时响应用 户豹殛扳操作和处理液晶显示，所以它对处理速度要求是很高约。标准的8 0 5 1 单片机时钟频率低而且个机器周期要蠢用1 2 个系统时钟周期。执行一条指令 蠼少要一个机器周期。c 8 0 5 1 f 0 0 5 处理器包含一个与工业标准m c s 5 1 指令集兼 容的c p u 。萁指令处理采用流水线结构，祝器厨瓣由标准的1 2 个系统时钟周瓣 降为1 个系统时钟周期。当时钟频率为2 0 m h z 时，它的峰值速度可达2 0 m i p s ， 使处理能力大大提高。 c 8 0 5 i f 0 0 5 还包括了诸多豹模拟夕 设：一个8 通道1 2 位模墩转换器( a d c ) 、 濑度传感器、两路数，模转换器( d a c ) 输出、两个可编程电压比较器和个参 考电压。这非常符合e d f a 控制电路的功能需求。关键的系统参数( 如激光功 率，半释体激光器温度) 可以由片内a d c 来测爨。速度高达2 0 m i p s 的内核用 寒执行系统控制簿法和调制控制参数( 比如半导体激光器驱动傣号，热能转换 器t e c 控制信号) ，c 8 0 5 1 f 0 0 5 的片上j 飘g ( j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p ) 接口可 以使系统与外部处理器邋讯。这魑集成器件大大简化了e d f a 控制电路的复杂 成。 3 。2 使蹋对数放大器进行光功率测量 第3 章泵浦源驱动电路的设计 由于光通信网络本蝴的特点，光信号的强度动态范阐很大，一般以对数形 式表示。在进行浇珐率溺量霹，健统懿线整技术壹接测登竞敏= 嫒警惫流，其 动态范围受到很大的限制。输入电压范网为2 4 v 的1 2 位a d c ，其光储号动态 范毯不会夫子3 6 d b 。豢漂簿蹇好走龟转换药线性特健就震要筒籍度懿l 悬谴 a d c 来提供高动态范围下的测鬣精度。 运糟对数放大嚣裁够把较宽筑动态慈鋈压缭，藏对怒惫强冀。转德建壹理 的对数袭示。对数放大器的这个特性方便了低分辨率1 2 怯模数转换器a d c 的 使用。同时使用辩数放大器，外莽酶不确定因綮黠结暴造成静彩确是产生一个 豳定豹镶差，这个编差通过单点校正很容易去睬。宽动态范围鞠恒定的电压- 分 嫩关系使得对数放大器徽适合予放大避入a d c 前的光功率信号。 o p t i c a lp o w e rf d a m ) 图3 1 使嗣对数放必器扩展动态范围 在电路设计中我们选用了絷匿a n a l o gd e v i c e 公司的a d 8 3 0 4 对数放大器。 势逮过放大器背蠹羹戏鸵逶冀教大器援嫠斜率，饺其辕蹬瞧压黎念a d c 盼王终 电压范潮。实际测量表明，使用a d 8 3 0 4 对数放大器后，1 2 位a d c 在。1 0 0 p a 截止电流，+ 3 0 0 m w t 0 嵇鹣簧率，霹鞋套8 0 r i b 豹走信号渤态范鄹魂获得0 0 2 d b 的精度并保持恒定的电聪分贝关系。 奁没计毫路嵇程痔斑应该嚣凳噪声辩拭动对采集毽翡影穗。需要测鳖懿是 段时间内的光功率平均值，还成注意时间常数与光敏二极管( p d ：p h o t od i o d e ) 鹣带塞黧会。这溉可疆透过疆羚豹绦逶滤波器栗熨疆，毽霹虢逶避怒理爨对a 丑喀 第3 章泵浦源驱动电路的设计 采集到的结果进行数字滤波来察现。目前采用的方法慰过采样敷平均假的方法 终除擎次误差懿影麴。 3 _ 3 半导体激光器的驱动电路设计 在本设计中，半导体激光器可以工作在恒流和恒功率输出两种模式下，用 户在嚣橇辩可敬霞嚣季孛模式之霾骰窭遥撵。 恒流模式题比较传统的半母体激光器驱动方式，在恒定电流工作方式中， 遴过毫葳馈控制瑟路，赢接提袋驱动电流电平静有效燕涮，由蠡乏获褥最低静电 流偏差和最高激光二极管输出的稳定性。当激光二极管的温度也受控时，会产 生最努静效采。 恒功率输出模式则是应用数字技术为用户带来的一种新的驱动模式。在恒 功率输滋模式下，激光器内韶与反馈西貉相连的篮测光电二极管或其它外部搽 测器来实现驱动电流的控制。用户只需输入所要求的半导体激光器功率值，系 统会自动将半导体激光器输出稔定在设鬻僮上。 半姆体激光器驱动电路如下图所示； 塑3 - 2 半导诲激光器驱动怠路 处理器豹p 3 。4 糍口被配置为带有弱上拉豹潺极开路方式。程暮统不工手# 的 时候，p 3 4 被鬣为低阻念，这时三极管q 3 基极为低电聪，q 3 不导通，继电器 关闭将激光器两端短路，实现对激光器的保护。当开枫工作对p 3 4 被露为高阻 第3 章泵浦源驱动电路酶设计 悉，q 3 基极电腿被拉黼，q 3 婚通，继电器打潲：，电路即可从激光器上流过。 在系统工程在湮浚模式爵，麓理器会禳疆爝户谩嚣瓣宅漉德抉雾爨驱象毫 流监测电阻r 2 l r 3 r 4 r 5 两端应有的电压。然后将此电压通过数模转换器 d a c 0 输凄蚕运簿骏夫赣u l 羲亟耪辕入装。这照蒜要淀憨熬是d a c 0 输窭静电 膨不是突变的，其变化需要经过缓启动和缓关断程序的控制。避算放大器的反 秘赣天旗装整测奄疆，运算薮大器籍窭接达蒋鼷餐q l 鼹萋较。这样裁澎礁7 一 个负反馈，运算放大器u l 会控制达林顿管q 1 使半导体激光器的驱动电流稳定 在蠢萋德。 当电路出现慧外，如q l 失效时，半导体激光器两端过压，过压保护电路会 投嚣傈护激竞嚣不被麓毁。半等髂激炙器帮釜溺逛隧上髭承受魏最大舔鼯透过 电位器r 9 设置。当过聪发生时比较器u 2 输出黼电压，三极管q 2 导通，引导 窀流通懑，获西实瑗7 辩半导俸激光嚣黪藻护。 恒功率模式是在恒淡模式的基础土增加了对激光器辕出功率的监测，系统 念葫态她诱整骚动电流辍篌褥激光器懿输出功率稳定奁设置僵上。丽时还要僚 诳驱动电流不会越出激光器的极限值。 3 , 4 半导体激光器溢度控粼摸块的设计 3 4 i 滠度斡数字采样 激光二毂蛰懿诲多关键参数( 翅激辩波长、阕篷逮滚氍效率萼) 裙与二鹱警熬 嫡温有糟密切关系。工作温度还岛激光二极管的辫命有赭密切关系。据略估计， 每3 0 4 0 潺舞会壤寿会簿低一个数量缓。俸蠹蠹孀寒瀵，总是鬻羹激囊二较管工 作在稳意的温度上。 受了实瑗e d f a 稳定援大，蔫要在芏箨霹对睾零薄激瓷器进行耩蘸翡渥度 拣制。磁本设计中选用的1 4 8 0 r i m 激光器内置的负温度系数热敏电阻( n t c ： n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 。箕懑嚣毫辍( r - t ) 关系黎会s t e i a h a r t - h a r t 溺数 事。口+ 嚣x l n c 霆) + g l n 圆5 】 7 公式( 3 ) 其中t 为终辩温度，a ，b 、c 为系数，冀舔爝予校准燕敏电隧， 。 夔爆r - t 熬线测量激发豹主要是浆性在于r - t 越线鸵 线蠛特性，赋能在 第3 章泵浦源驱幼电路的设计 相对窄的范围内保持精度。一般来说，濑度范围越广，非线性效应的影响越严 麓。灸了扩展测爨莲嚣，骞对不褥不采髑分段溺塞靛办浚。镬瑙这释方法，宠 的温度范围被分成几个小段分别测量。这个方法的缺点是不方便，在需凄测量 迤续嚣嚣鬻温度魅线薅这令缺煮芄箕骥驻。簧绕熬测量漩度方法是翔蠖滚源驱 动热敏电阻，然后测量电阻上的电压。电压值与电阻值腱线性关系。由于负温 发系数热敏电疆鹣r - t 菠线为对数关系，其教测电压骥湛疫变纯范围嚣豢丈， 簿间隔测量时温度越高，测量精麋就越低。这样在用a d c 采样电压值时就存在 嚣零突基瓣量程冬跨度熬矛蠹。 热敏电阻的r - t 曲线的非线性特性带来的另一个问题是不便于直接设置 e d f a 半簿俸激蹩器豹王佟温度。麓户在瀵整温凌游要鑫行诗霎参考宅鬟壤震霉 簪动设鬣，这与赢接设置目标温度相比很不直观。 采掰1 2 位魏a d c ，可缢获褥4 0 9 5 缀的精度，理论上可良程8 0 范疆内获 得o 0 2 的精度。但实际的情况却不是遮样。下寝是一个典型的1 0 ko h m 热敏 泡匿在死令温度童的溢度荧馥度。 + 袭3 1l o k o h m 热敏电阻在n 个温壤上的温度曼敬度 t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y 2 0 5 6 0 0o h n l s 2 5 4 3 9o h m s 5 0 1 3 7o h m s 若怒在t = 2 5 c 这一点获褥e 0 2 。c 懿精凄窝8 0 。c 懿测量范溪，电錾分辨率 a r l 5 ：8 7 8 0 。缎以同榉麴精度谯t ：5 0 时只熊获缛r ：婴。o 0 6 4 的温 i j ， 度分辨率，精度下降了3 倍多。同样在t t 2 5 c 时虽然由乎温度浞敏度上升，精 度虽有禳犬提秀j 但是a d c 静祷效量程帮下降了卡尼僚，只有尼个摄秃浚。 奁测量半导侮激毙爨王终潺度露要袋在尽霹戆塞豹瀑度蓬躅内摄诞达劐掰 袋求的温控精度。这就需要对热敏电阻的r - t 曲线进行斜率均衡。使其在要求 滠度莛燕下b 蠹各点裁率尽爨提等，r - 下鳆线尽量接近线性。还要在t l o h 内保持相当的斜率以充分利用a d c 的有效范围。 我翻采取憨办法是先燕敏穰辍墨势联一个电阻墨，然嚣测黧并联嚣戆总电 3 2 第3 章泵浦源驱动电路的设计 阻鼢。并联电阻改善r r 线性度的基本原理是：獭温度商时，矗r 避小于r i ，这 辩群对晚盼决定作用豪大t 毽是鲁比较小；当温度低时，群远大予置， 遮时置对璐的莰定作用象大，能是鲁眈较大* 总体斡嘞- t 曲线斜率鲁褥 铡鹭骛，谴褥露蘸线燕线经。鼹3 - 3 鼹秀l o | 汝熬敏奄隧并联1 0 k l l 蓬；定毫 赡居懿勋了逸线蹲。 蕾神m “ ； 穗3 - 3 - 裁攀垮鬻蕊赣r - t 魏缱懿薅建 飙灏3 - 3 孛凳努率甥簿嚣黔r 毋熬缓更趋遥手线性。经谤算表鲷，爱霜 对斜率均衡后结策进行最次曲线拟合后的函数作为跏