智能型激光控制器提高灵活性并节省空间

激光二极管是宽带调幅光纤发射系统的核心器件。光纤系统依赖于激光的稳定性，但未受调节控制的激光二极管特性却常因制造误差、温度和使用日久所造成的参数改变而变得不稳定。因此，光纤通信系统需要专用电路来控制重要的激光二极管参数，以确保它们稳定操作。
虽然激光控制电路都采用传统的闭环技术，电路实现方法却各有不同。设计人员通常采用由多个模拟IC和无源器件组成的分立电路。这种策略虽能设计出功能正常的解决方案，却会占用过多的电路板面积、增加系统测试复杂性且使电路修改昂贵耗时。利用混合信号SoC技术来实作激光控制电路是最新趋势，这些元器件结合高数据吞吐量的处理器、精准模拟转换器和可在系统内编程的闪存，最适合设计体积小、经济效益高且更智能的激光调节器 (laser regulator)。

使用分立元器件的
激光调节器
图1是3641型激光发射器模块，它通过反馈控制回路来调节激光温度和光输出功率，以确保稳定操作。在这个例子里，两组调节器的每个功能块都含有多个模拟IC和无源器件。光功率调节器可改变激光偏置电流，以维持固定的光输出功率。为了实现这一点，激光模块的感光监控二极管会根据耦合进入光纤的光功率产生等比例电流，然后将该电流转换成电压送到控制放大器。控制放大器是一种积分控制器，其输出电压等于输入端电压差的时间积分值，换言之，输出电压会以等比于输入电压差的速率改变 (见图2a)。控制放大器的积分特性使它能提供高增益来实现精密的回路调节和阻尼，进而避免回路出现振荡现象。控制放大器的输出可以连接到激光偏置电流产生器，使偏置电流随着光输出功率测量值的增加而减少。

图1 3641型激光发射器使用分立模拟元器件来调节温度和光输出功
率。每个调节器的功能块都包含多个电路元器件。另外要注意的是，
光电二极管的工作电流水平必须在系统测试时以手动方式校准。

控制回路的工作方式很直接：控制放大器将校准后的设定点 (固定) 电压减掉监控二极管的功率输出信号，然后缓慢调整偏置电流产生器，直到功率测量值等于设定值。回路操作过程如图2a所示，输出功率降低(见图2b)会让监控二极管输出信号变小，使得控制放大器负输入端的电压下降。此动作会导致控制放大器的输出电压 (还有偏置电流和光输出功率) 增加，直到控制放大器的两个输入端电压相等。光功率调节器的其余电路还包含电流过载保护以及用来配合ADC和处理器等外部电路的激光偏压监控电路。

图2a 控制放大器的开环响应显示输出电压以等比于 图2b 闭环控制电路控制激光偏置电流以保持输出功
输入电压差的速率改变。积分方向由两个输入中正电率不变。从未受控曲线可以看出，若没有闭环控制，输
压值较大的一个决定。 出功率就会降低。注意，偏置电流的增幅足以维持稳
定的输出功率。

温度调节器是另一种闭环控制器，它的操作与光功率调节器电路很类似，唯一区别在于它是以温度为受控变量。温度调节器会改变热电致冷器 (TEC) 的电流，以确保激光温度保持不变。热电致冷器可参照通过它的电流方向来加热或冷却激光－－正电流会将激光芯片产生的热量通过封装材料带出，以降低激光温度；负电流则会逆转热量流动方向，使得激光温度上升。封装内的热敏电阻可以感测激光温度，并在受到偏压时产生等比于温度的电压值。控制放大器会比较温度信号与设定值，并调变热电致冷器接口电路，最后由接口电路来调整通过热电致冷器的电流大小和方向。接口电路通常包含限流器，以确保热电致冷器的控制电流不会超过安全范围。当温度测量值等于温度设定值时，控制回路就达到稳定的控制点。

图3利用C8051F410和接口电路实现激光控制。注意，只要通过取
样/保持放大器将DAC多任务化，就能控制第二组激光

利用C8051F410
设计调节器
图3是利用体积精巧的混合信号微控制器C8051F410以及外部接口电路所实现的激光调节器。C8051F410内置高速8051处理器、12位ADC、12位DAC和32 KB系统内可编程的闪存。
图3是以C8051F410为基础的设计方案，它与图1所示的硬件电路并不相同。图3所示电路会将模拟输入变量转换成数字数据、利用使用者设计的软件控制算法处理该数据、然后把所要求的控制变量转换成模拟信号。这种方法可提供很好的灵活性、很高的功能整合度和更小的安装体积。除此之外，设计人员还能在不影响硬件的情况下利用电路内建处理功能实现更精密的控制与支持算法。
图3中，微控制器与一些简单电路共同组成激光发射器模块的接口，其中，温度和光功率模拟信号是由C8051F410内含的12位ADC转换为数字数据，监控二极管通过电流/电压转换器连接至微控制器，热敏电阻则是直接连接。激光模块的控制接口包含两组简单的电流产生器，它们都由微控制器内含的DAC驱动。图3左下角的小方块图还显示C8051F410可为每个通道增加两组取样/保持放大器，以控制第二组激光。在这类设计中，使用者软件可利用微控制器的I/O端口联机，将DAC传送到取样/保持放大器的模拟信号调至适当水平。设计人员还能利用C8051F410内建通信端口所控制的双通道DAC代替取样/保持放大器。无论采用何种方式，激光控制电路所需的额外成本和空间都会由两组激光分担，这能减少每个信道的成本和电路板面积。

微控制器实现
软件驱动式系统设计
以微控制器作为电路核心的最大特色是它具有“变身能力”，这是因为系统功能都采用软件设计，使用者只要编写应用软件就能轻松设计出完全定制化的硬件方案。低成本的开发工具还能让使用者通过安装至目标系统的C8051F410简单快速地完成应用程序的开发、下载和调试工作。
设计人员可用8051汇编语言、C语言或其它任何语言设计例程，前提是这些语言提供以8051指令集为目标的编译器。这套软件算法包含数据采集和控制两大部分，数据采集算法很简单：先由12位ADC把热敏电阻和监控二极管信号转换成数字字符，然后存储至内存。控制软件则会模仿图1硬件控制放大器“相减后积分”的电路行为。硬件控制放大器的积分速度 (即输出电压改变的速率) 由无源器件值决定，微控制器则利用某个内建定时器所产生的时基来设定控制算法的积分速度 (控制输出)。该定时器会定时中断程序的执行，同时让处理器跳至另一个例程来计算每组控制输出的最新数值。

系统内可编程和
本地数据处理增加更大价值
由于整个控制算法都由软件实现，设计人员只要将软件下载到系统内可编程的闪存就能改变或更新其功能，这使得系统维护更简单且设计风险更低，相形之下，图1由电路实现的控制功能却需要修改硬件和电路板布局。除了系统内可编程能力外，闪存还可存储本地数据，让系统随时存取和更新。由于信息存储区包含在发射器电路元器件内，系统随时都能取得服务记录、序号、生产日期、维护记录以及工厂最后测试时所使用的激光二极管参数值等重要信息。微控制器的整合数据处理能力和串行连接还提供自动化自我测试等重要功能，这将进一步提高系统的可用性。芯片内建的串行通信功能可用来与系统主处理器交换信息，这使系统拥有更先进的诊断、系统配置和维护功能。

结语
系统内可编程的混合信号微控制器适合许多应用，例如在激光控制应用中，就能利用这些元器件开发节省空间的智能型激光调节器。它们不但可准确执行控制算法，还能在不需要大幅修改系统的情况下迅速变换功能，这使它们成为扩充性良好并能降低设计风险的理想激光控制解决方案。■