单芯片的数字采集作为可靠DWDM通信系统的核心

最近政府对通信行业的法规取消，推动了新思想和新发明的爆发，特别是在光学领域。从创业公司到财富500强公司的许多参与者都参与了1998年到2000年的成长期，试图实现这些想法。今天，虽然这个行业经历了一个痛苦的时期，许多初创公司都已经消失，但实施这些想法和发明的需求依然存在。

光纤是已经出现的传输媒介。适应预期的长期增长。为了充分利用宽带宽（这是光纤传输的主要优势），一种称为波分复用（WDM）的方法 - 以及后来的密集 WDM （DWDM） - 已实施。这种传输方法允许通过单根光纤传输多种波长（一种波长或每种激光的颜色），但对激光提出了严格的要求。

一个主要要求是激光温度保持不变这样它的波长就不会漂移并干扰其他激光器。这通常涉及热电冷却器（TEC）控制器（本文后面将讨论）。随时间和温度控制激光功率水平及其调制机制是另一个系统要求。该作业由激光二极管驱动器（LDD）处理。对于长距离应用，需要光放大器来进行信号修复和重传。 掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼放大器类型占主导地位。他们重新调整信号，而不必将其从光学转换为电学，然后再转换回光学 - 这是过去广泛使用的方法（也是唯一的选择）。现在仅在光学域中进行扩增。但是，要控制它们的参数，光放大器需要高端A / D和D / A 转换器（ADC和DAC），对数放大器（对数放大器）和跨阻抗放大器（TIAs），加上一个控制器。

光通信系统

大多数光通信系统（图1）在用于热电冷却器（TEC），激光二极管驱动器（LDD）的控制回路中使用ADC和DAC ）和雪崩光电二极管（APD）监测和偏置电路。专用控制回路用于驱动泵浦激光器并读取其功率水平;调整发射激光二极管中的消光比和平均功率;在WDM和DWDM系统中将激光二极管保持在稳定的温度。回路信号由微控制器进行数字处理。 ADuC832是其产品组合中的所有这些任务，是MicroConverter ® 系列的成员 - 一个集成的数据采集芯片，结合了CPU内核和标准外设是这类控制系统的核心候选者。

ADuC832（图2）包括：8通道，12位，5位μs自校准ADC;一个2通道，12位DAC，具有轨到轨输出;行业标准的8052微控制器; 62 KB闪存程序RAM和一系列外设功能。所有这些功能，加上温度监控器，可编程PLL时钟，电压基准，同步和异步串行端口等，都集成在一个节省空间的56引脚芯片级封装（CSP）中，允许整个控制系统安装在光学模块的外壳内。

我们在此描述光通信系统各部分的可能实际实现，如图1所示，包括热电 - 冷却器控制器，激光二极管驱动器（LDD），光电探测器 - 二极管偏置，接收光信号强度指示器（RSSI）和温度传感器。

每个应用程序都可以使用经过全面测试的完整软件模块。这些模块是专为模拟/光学设计师编写和评论的，他们不懂技术，也不想做。这将有助于缩短有经验和新手程序员的设计时间和整体上市时间。

TEC控制器

为确保波长稳定性，热电冷却器（TEC）控制器设计用于将激光二极管或光学模块维持在特定温度，精度通常在0.01°C以内。该器件依靠负温度系数（NTC）热敏电阻来检测连接到TEC的物体的温度。目标温度通过模拟输入电压设置 - 来自DAC，如图3所示，或者使用外部电阻分压器。向TEC施加正电流或负电流，根据需要加热或冷却物体。内部比例 - 积分 - 微分（PID）补偿放大器可稳定温度。可以调整外部PID网络以优化建立时间。

连接到TEMPSET引脚的12位DAC之一设置目标温度。电压对应于特定的目标温度（对于大多数激光二极管应用，通常为25 mV /°C）。 TEC通过其PID回路将目标温度保持在0.01°C以内（当然，该值取决于热敏电阻的质量和适当的保养）。为保护热电冷却器免受过压影响，VLIM引脚指定了最大电压。该电压由第二个12位DAC（典型范围0至1.5 V）或简单的电阻分压网络提供和设置。 VTEC引脚连接到八个ADC通道中的一个，允许监控TEC上的实际电压。 TEMPOUT引脚连接到第二个ADC通道，可以动态监控TEC温度（典型范围为0-3 V）。如果需要，可在每个ADC输入之前使用运算放大器（OP184，OP162等）进行信号缩放，缓冲和滤波。使用两个数字输入：TEMPLOCK表示已达到所需的TEC温度; THERMFAULT用于指示热敏电阻故障。一个数字输出连接到SD引脚，允许器件进入低电流关断模式。

激光二极管驱动器

作为系统的一部分，激光二极管驱动器（LDD）ADN2841用于使用双回路控制激光二极管的平均功率和消光比控制方案。消光比被控制为调制电流的函数，而平均功率由偏置电流控制。这种双回路配置可以补偿由于温度，老化和二极管到二极管制造公差引起的激光二极管斜率效率的变化，并增强了设计人员从多个制造商那里采购激光二极管的能力。

MicroConverter用于控制和监控。图4显示使用ADN2850双10位数字电位器设置消光比（在ERSET引脚处）和平均功率（在PSET引脚处）。该电位器通过串行外设接口（SPI）端口控制。监控光电二极管电流IMPDMON和IMPDMON2通过1.5kΩ电阻流到地，以提供与监控电流成比例的电压。二极管的调制和偏置电流IMMON和IBMON以相同的方式流向地。这些电阻上产生的电压连接到ADC通道，使其以数字格式提供。 ADN2841具有有效的高监控报警，可识别降级二极管和故障二极管条件。这两个数字输出连接到两个通用I / O引脚。

APD监测和偏置

雪崩光电二极管因其极高的灵敏度和高内部增益而闻名。这些特性使其成为需要最佳灵敏度的光接收器应用的理想选择。不幸的是，这种高增益需要40到60伏的偏压。设计者还必须处理APD增益函数与温度有关的事实。通过在温度变化时调节APD偏置电压，可以使增益保持恒定。图5显示了如何通过DAC，开关稳压器和可调电压升压电路实现此问题的理想解决方案。

根据APD制造商的规定，随着温度的升高，增加APD偏置电压可以使增益保持恒定。此变化通常以％/°C表示，范围为0.15％/°C至0.30％/°C。

ADP3031开关稳压器可提供高达12伏的输出电压。可以级联多个ADP3031升压级以实现所需的最终电压。

DAC的使用范围为0到2 V，可以根据温度改变二极管两端的电压。可以使用A / D监控二极管两端的实际电压，从而提供完整的闭环控制。在二极管增益保持在其目标的情况下，可以使用跨阻放大器（TIA）或对数放大器加上ADC的另一个通道精确地监测接收的光信号强度。校准系数可以方便地存储在闪存数据存储器中，从而可以根据需要进行调整。

16位接口

此接口使用通用I / O端口0和2以及外部锁存器完成。它有两个主要功能：作为ADC在直接存储器访问（DMA）模式下运行时的存储器接口;并通过使用双端口RAM或其他类型的存储器作为通用的16位外设接口。图6显示了这种配置的详细信息。

ADC以每5μs一次转换的最大更新速率运行。在此速率下，微控制器需要5μs才能读取ADC结果并将其存储在存储器中以便进一步处理。它必须在此时间间隔内完成，否则下一个样本将丢失 - 在使用ADC的中断例程时尤其耗时。因此，在MicroConverter无法提供非常快的中断速率的应用中，应使用DMA模式。在DMA模式下，ADC结果直接写入外部存储器。

与任何标准的8051兼容控制器一样，这个16位接口可用于与运行16位处理器的系统交换数据。双端口内存有助于防止总线争用和争用 - 并提供一个有点独立的接口系统。由于“房地产”（电路板区域）在大多数光模块中至关重要，因此采用56引脚CSP封装的ADC，DAC，闪存和8052 MCU的集成为设计人员提供了紧凑而强大的光通信解决方案系统