CN1482758A - 低发热的温度补偿装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用在光通信装置或者类似装置上的温度补偿装置，该装置被构建为使得当前温度和参考温度之间的差别的误差值在温度比较单元中经过数字处理。数字误差电压值被计算，而且执行数字比例积分微分控制以代替需要诸如功率运算放大器、电阻(R)和电容(C)这些电子器件的模拟比例积分微分控制。依照这一装置就可以减少电子器件的数量。还可以在仅仅使用一块印刷电路板的时候接受不同的温度传感器类型而不用考虑使用的温度传感器的类型。

Description

低发热的温度补偿装置和方法
技术领域
本发明涉及一种温度补偿装置和方法，其允许光通信装置具有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，尤其涉及一种使用比例积分微分(PID)控制电路的低发热的温度补偿装置和方法
背景技术
阵列波导光栅(AWG)是一种光通信装置，它主要在波分复用(WDM)的光通信系统中用作对多波长光信道进行复用和解复用的复用/解复用器(Mux/DeMux)。如AWG这样的光通信装置的问题是它们对周围的环境是敏感的，因此将导致光通信系统的性能恶化。
为了解决这一问题，可以在这种光通信装置中使用一种温度补偿装置来维持恒定的温度特性，而与环境温度的改变无关。这样的温度补偿装置可以主要通过使用一个PID控制电路来实现。
图1是一个结构图，它示出了一个使用传统的PID控制电路的传统的温度补偿装置。
如图1所示，传统的温度补偿装置由温度比较单元10、PID控制单元20、高电流驱动单元30、温度控制单元40和温度传感器50组成。
温度比较单元10比较基于当前温度的电路电压值Vcur与参考电压Vref之间的差别，以得出误差电压Verr。参考电压值Vref被直接进行设置或者通过由通用微控制器反馈的数模转换器(DAC)进行设置。通过读取连接在诸如AWG这样的光通信装置上的温度传感器的电阻值并将这一电阻值转换为电路电压值Vcur来设置Vcur。
PID控制单元20通过向高电流驱动单元30输出一个PID电压值Vpid迫使Vcur与当前实际温度一致。依据光通信装置的温度变化特性，PID控制单元可能包含P控制电路、PI控制电路、PD控制电路、PID控制电路或者类似的电路。
高电流驱动单元30接收并放大Vpid以得出随后将提供给温度控制装置40的“高温”典型电流Iout。功率运算放大器(op-amp)通常被用作高电流驱动单元。
温度控制单元40使用Iout控制光通信装置的温度。在实际操作中，基于误差电压值Verr确定了PID控制单元20中Iout的极性。如果误差电压值表现为正值就提供正电流；如果误差电压值表现为负值就提供负电流。这样的温度控制装置使用加热器、热电冷却器(TEC)、或者类似的装置。加热器的功能是对光通信装置进行加热而与Iout的极性无关，TEC的功能是依照Iout的极性对光通信装置进行加热或者冷却。
温度传感器50的功能是感应温度，并且由热敏电阻或者电阻式热探测器(RTD)实现。热敏电阻和RTD各自的特性是不同的，后者的电阻随着温度的增加而增加，而前者的电阻随着温度的增加而减少。
拥有前面提到的结构的传统温度补偿装置有几个缺点。被用作高电流驱动单元的功率运算放大器的热效率较低，从而产生过多的热，另外这样的温度补偿装置几乎不可避免地需要散热片，从而增加了材料的费用和整个模块的体积。
为了克服这些问题，我们通过使用脉冲宽度调制(PWM)驱动器和整流器电路实现了一种不需要散热片的低发热温度补偿装置。
图2是一个结构图，它示出了一个已知的低发热的温度补偿装置。
如图2所示，传统的低发热温度补偿装置的结构与图1中所示的相似，但是其中的PWM驱动器31和整流器电路32代替了功率运算放大器。图3示出了由PWM驱动器31和整流器电流32组成的高电流驱动单元32的输出特性。模拟PID控制单元20基于误差电压值Verr(图3a)输出温度补偿信号Vpid，PWM驱动器31对Vpid进行放大，以得到一个放大的信号Ipwm(图3b)，Ipwm通过整流器32并且被变为直流电(DC)信号Iout(图3c)。
然而，图2中示出的传统的温度补偿装置在PID控制电路中使用比例调节器(P)、积分器(I)、微分器(D)来将误差电压Verr维持为0。因此传统的装置需要大量的例如高性能运算放大器、电阻(R)和电容(C)这样的电子器件。因此这种模拟的PID控制电路必然给温度补偿模块带来材料费用的增加和体积的增大。进而在极端环境下电子器件的特性将急剧恶化并使得温度补偿模块的整体性能趋于恶化。
如上所述，温度补偿单元中的误差电压值Verr一般是通过使用设备运算放大器来计算当前温度下的电压值Vcur和在参考温度下Vref的电压值之间的误差而获得的。然而在一般情况下，Verr的极性依靠在测量温度中使用的温度传感器的类型，如热敏电阻或者RTD。如上所述，Verr的极性的改变还会改变提供给诸如加热器或者TEC这样的温度控制装置的电流Iout的极性，并随之改变提供给光通信装置的温度控制装置的功能。导致的缺点是被选择为温度比较单元的印刷电路板(PCB)与使用的温度传感器的类型不同。
发明内容
本发明是用来解决在本领域中的上述问题的，本发明的目的是提供一种低发热的温度补偿装置，它可以在体积上实现小型化、并且可以以较低的成本生产。
本发明的一个方面是提供一种低发热的温度补偿装置和方法，它在使用同一PCB的时候可以接受不同类型的温度传感器而与使用的温度传感器的类型无关。
依照本发明的另一个方面，提供了一种低发热的温度补偿装置，它允许光通信装置维持一个恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热温度补偿装置包括：温度传感器，它检测光通信装置使用时的温度；温度比较单元，它对与光通信装置中检测的温度相对应的信号以及与光通信装置的参考温度相对应的信号进行数字信号处理，随后产生代表两个信号差别的数字误差值；D/A转换器，它将温度比较单元的数字误差值转换为模拟信号；温度控制单元，它按照温度补偿信号控制光通信装置的温度；以及模拟PID控制单元，它接收模拟信号并使用模拟的方法执行PID控制，以生成温度补偿信号，从而迫使数字误差值保持为0。
为了获得上述目标，本发明还提供了一种低发热温度补偿方法，它允许光通信装置拥有恒定的温度特性，而与环境温度的改变无关，低发热温度补偿方法包括下面的步骤：在光通信息装置使用的时候检测光通信息装置的温度；对与光通信装置中检测的温度相对应的信号和与光通信装置的参考温度相对应的信号进行数字信号处理，随后生成代表两个信号差别的数字误差值；将温度比较单元的数字误差值转换为模拟信号；按照温度补偿信号以模拟的方法执行光通信装置的温度补偿；以及，接收模拟信号并且以模拟的方法执行PID控制，以生成温度控制信号，从而迫使数字误差值保持在0。
附图说明
本发明的上述的和其他的特征和优点将在下面通过与附图一起的详细描述变得更加清晰，在全部的几个附图中相同的器件被标示为相同的参考数字和符号：
图1是示出了一个传统使用PID控制电路的温度补偿装置的方框图；
图2是示出了一个已知的低发热温度补偿装置的方框图；
图3a到图3c是图2的实施例的信号的图形表示；
图4是示出了依照本发明实施例的低发热温度补偿装置的结构的方框图，其中的温度比较单元使用了数字信号处理；
图5是示出了依照本发明实施例的低发热温度补偿装置的结构的方框图，其中包含数字温度比较单元和数字PID控制器；
图6是本发明的另一个实施例的方框图，其中的低发热温度补偿装置包含数字温度比较单元和数字PID控制器；以及
图7是在WDM Mux/DeMux类型的AWG装置中应用本发明的低发热温度补偿装置以保持AWG的温度特性稳定的流程图。
具体实施方式
在本发明中，用于对光通信装置进行温度补偿的低发热温度补偿装置或者类似的装置是以当前温度与参考温度之间的差别的误差值在温度比较单元中进行数字处理的方式构建的。数字处理对数字误差电压值进行计算，数字PID控制的执行代替了需要诸如功率运算放大器、电阻(R)和电容(C)等电子器件的模拟PID。
图4是一个出了依照本发明优选实施例的低发热温度补偿装置的方框图，其中的温度比较使用了数字信号处理。
如图4所示，依照本发明的低发热温度补偿装置包含温度传感器1、温度补偿模块2，以及温度控制单元3，其中温度补偿模块2由温度比较单元100、PID控制单元200、高电流驱动单元300、A/D转换器110，以及D/A转换器120组成。
温度传感器1检测当前光通信装置或者类似装置的温度；对应于检测得到的温度的电压信号通过A/D转换器110被转换为数字信号。温度比较单元100计算作为与当前温度相对应并通过A/D转换器被转换为数字信号的电压值Vcur和与已设温度相对应的参考电压值Vref之间的差别的数字误差电压值Verr。分压电路采用通常用于测量对应于当前温度的电压值的类型，在这种情况下由参考电压(3V)、电阻、温度传感器和地(GND)以这样的顺序组成一个封闭的环路。
有利之处在于，通过数字信号处理，数字Vref和/或Vcur被用来补偿使用的类型的温度传感器。如果例如使用一个热敏电阻作为温度传感器，温度传感器的电阻值随着温度的增加而减少，这样，当前温度的电压值Vcur也趋向于减少，因此，增加Vcur以产生数字Vcur，或者减少Vref，以产生数字Vref，或者两个数字值都被分别调整；另一方面，如果使用RTD作为温度传感器，则随着温度的增加温度的电阻值也会增加，这样当前温度的电压值Vcur趋向于增加，相应Vcur被减少以产生数字Vcur，或者Vref被增加以产生数字Vref，或者两个数字值都被分别调整。由于温度比较单元100比较数字值格式的误差电压值，所有就有可能在一个PCB中实现温度比较单元，以适应传感器而不必考虑它们的类型。
在通过D/A转换器120将数字误差电压值转换为模拟电压值Verr以后，数字误差电压值被输入到PID控制单元200。PID控制单元通过执行PID控制功能生成一个温度补偿信号Vpid以将误差电压值调节到0，正如在下面进一步详细地描述的那样，通过反馈PID控制功能保持或者“迫使”误差电压值为0。
Vpid在高电流驱动单元300中被放大，并且提供给温度控制单元3，温度控制单元3使用提供的电流控制光通信装置的温度，在实施例中可以看到，高电流驱动单元300由PWM驱动器310和整流电路320组成。PWM驱动器310具有低输出电阻和高热效率，因此它不需要单独的散热片。由于这一原因，它主要用于发热较少的装置。
图5示出了本发明的另一个优选实施例的例子，其中的低发热温度补偿装置包含一个数字PID控制器。
如图5所示，低发热温度补偿装置包含：温度传感器1；由温度比较单元100、数字PID控制单元220、高电流驱动单元300、A/D转换器210和D/A转换器230组成的温度补偿模块2；以及温度控制单元3。
这个实施例的结构与图1中所示的不同，本实施例包含数字PID控制单元220而不是模拟PID控制单元20。为了执行PID控制，这一实施例进一步包括分别在数字PID控制单元220的输入和输出端的A/D转换器210和D/A转换器230。
温度比较单元100对与当前温度相对应的电压值和与参考温度相对应的电压值之间的差别的误差电压值进行计算。误差电压值被A/D转换器210转换为数字电压值并输入到数字PID控制单元220。
数字PID控制单元220以迫使误差电压值为0的方式执行数字PID控制。PID控制是通过通用微处理器执行的，在通用微处理器中用于数字PID采样模式的PID控制的基本公式如下：
控制量    ＝Kpx误差(比例P)+
            Kix误差积累(积分I)+
            Kdx与上一误差的差值(求导D)
这一公式用符号来表示如下：
nVpid    ＝(n-1)Vpid+DnVpid
DnVpid   ＝Kpx(nVerr-(n-1)Verr)+
           KixnVerr+
           Kd x((nVerr-(n-1)Verr)-((n-1)Verr-(n-2)Verr))
在上面的公式中，nVpid和(n-1)Vpid分别表示上一个控制量和当前的控制量。DnVpid表示当前控制量的微分，nVerr、(n-1)Verr和(n-2)Verr分别表示当前误差、上一误差和上一误差之前的误差。Kp、Ki和Kd分别表示比例常数、积分常数和微分常数。
数字PID控制单元220的输出值通过D/A转换器230被转换为模拟值；模拟值作为高电流通过由PWM驱动器310和整流器320组成的高电流驱动单元300被提供给可能是加热器或者TEC的温度控制装置3；温度控制单元3按照来自高电流驱动器300的信号维持当前温度接近于参考温度；数字PID根据需要使用P控制、PI控制、PD控制和PID控制等等进行控制。
图6示出了本发明的另一个优选实施例，其中的低发热温度补偿装置包含数字温度比较单元和数字PID控制器。
如图6所示，依照这一实施例的温度补偿装置包含：温度传感器1；由温度比较单元100、数字PID控制单元220、高电流驱动单元300、A/D转换器110、D/A转换器230组成的温度补偿模块2和温度控制单元3。
这一实施例的结构与图1中所示的不同，本实施例包含了数字PID控制单元220而不是模拟PID控制单元20，为了执行PID控制，这一实施例进一步包括在数字PID控制单元220的输出端的D/A转换器230。
由温度传感器1检测的当前温度的电压值通过A/D转换器110被转换为数字电压值数字Vcur；温度比较单元100对参考温度的电压数字Vref和当前温度的电压Vcur之间的差别的误差电压值Verr进行计算；误差电压值Verr被输入到以前面所述方法通过通用微控制器执行PID控制的数字PID控制单元200；来自数字PID控制器的PID输出值被转换为模拟值，并随后作为高电流通过PWM驱动器310和整流器320提供给温度控制单元3。其结果是构建了恒定地维持参考温度和当前温度的低发热温度补偿装置。
图7通过举例的方式示出了在一个WDM Mux/DeMux装置的AWG装置中应用本发明的低发热温度补偿装置以稳定AWG的温度特性的过程。
温度传感器1检测到当前使用的AWG装置4的温度，如果检测到的温度与参考温度不同，温度补偿模块2向温度控制单元提供一个控制信号，以通过运行诸如加热器或者TEC这样的控温装置来补偿这一偏差。因此AWG装置4维持了一个恒定的温度(参考温度)特性，而与环境的温度无关。热传播器(heat spreader)5无偏差地将热量均匀地传递到AWG装置4。
如上所述，低发热温度补偿装置包含温度比较单元和用于执行数字信号处理的模拟PID控制单元。其结果是，本发明可以减少电子零件的数量以及随之而来的材料费用，并且使得温度补偿装置的模块尺寸小型化。
进而由于温度比较的数字信号处理，就可能在仅仅使用一块PCB的时候构建一个可以接受不同类型的温度传感器的通用低发热温度补偿装置。
在通过参考一定的优选实施例对本发明进行了展示和描述的同时，那些在本领域有熟练技能的人士应该理解对本发明的形式和细节上的不同地修改都如在附后的权利要求中所定义的那样不会偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1、一种低发热的温度补偿装置，它允许光通信装置拥有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热的温度补偿装置包含：
温度传感器，它检测光通信装置在使用时的温度；
温度比较单元，它对与光通信装置中检测到的温度相对应的信号和与光通信装置的参考温度相对应的信号进行数字信号处理，随后生成代表这两个信号的差别的数字误差值；
数字/模拟转换器，它将温度比较单元的数字误差值转换为模拟信号；
温度控制单元，它按照温度补偿信号控制光通信装置的温度；
模拟比例积分微分控制单元，它接收模拟信号并使用模拟的方法执行比例积分微分控制，生成温度补偿信号，从而迫使数字误差值保持为零。
2、如权利要求1所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，所述两个信号中的每一个都包含电压信号。
3、如权利要求1所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，进一步包含高电流驱动单元，所述的高电流驱动单元用于从模拟比例积分微分控制单元接收温度补偿信号、对温度补偿信号进行放大并将温度补偿信号作为高电流提供给温度控制单元。
4、如权利要求3所述的低发热温度补偿装置，其特征在于，其中的高电流驱动单元由脉冲宽度调制驱动器和整流器构成。
5、一种低发热的温度补偿装置，其允许光通信装置拥有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热的温度补偿装置包括：
温度传感器，用于检测光通信装置在使用时的温度；
温度比较单元，它生成代表与光通信装置中检测到的温度相对应的信号和与光通信装置中的参考温度相对应的信号之间的差别的误差值；
模拟/数字转换器，它将温度比较单元的误差值转换为数字误差值；
温度控制单元，它按照模拟的温度补偿信号控制光通信装置的温度；
数字/模拟转换器，它将数字温度补偿信号转换为模拟温度补偿信号；以及
数字比例积分微分控制单元，它使用数字的方法执行比例积分微分控制，以按照迫使数字误差值为0的方式生成数字温度补偿信号。
6、如权利要求5所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，所述的两个信号的每一个都包含一个电压信号。
7、如权利要求5所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，进一步包含高电流驱动单元，用于从数字/模拟转换器接收模拟温度补偿信号、对温度补偿信号进行放大并将模拟温度补偿信号作为高电流提供给温度控制单元。
8、如权利要求7所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，其中的高电流驱动单元由脉冲宽度调制驱动器和整流器构成。
9、一种低发热的温度补偿装置，其允许光通信装置拥有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热的温度补偿装置包括：
温度传感器，用于检测光通信装置使用时的温度；
温度比较单元，它生成代表与光通信装置中检测到的温度相对应的信号和与光通信装置的参考温度相对应的信号之间的差别的误差值；
温度控制单元，它按照模拟温度补偿信号控制光通信装置的温度；
数字/模拟转换器，它将数字温度补偿信号转换为模拟信号；以及
数字比例积分微分控制单元，它接收数字误差值，并且使用数字的方法执行比例积分微分控制，以生成数字温度补偿信号，从而迫使数字误差值为0。
10、如权利要求9所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，所述的两个信号的每一个都包含一个电压信号。
11、如权利要求9所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，进一步包含高电流驱动单元，用于从数字/模拟转换器接收模拟温度补偿信号、对温度补偿信号进行放大并将模拟温度补偿信号作为高电流提供给温度控制单元。
12、如权利要求11所述的低发热的温度补偿装置，其特征在于，其中的高电流驱动单元由脉冲宽度调制驱动器和整流器构成。
13、一种低发热的温度补偿方法，其允许光通信装置拥有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热的温度补偿方法包括下面的步骤：
检测光通信装置使用时的温度，对与光通信装置中检测到的温度相对应的信号和与光通信装置的参考温度相对应的信号进行数字信号处理，随后生成代表了两个信号差别的数字误差值；
将温度比较单元的数字误差值数字/模拟转换为模拟信号；
按照温度补偿信号以模拟的方法执行光通信装置的温度补偿；
使用模拟的方法执行比例积分微分控制，以生成温度补偿信号，从而迫使数字误差值为0。
14、如权利要求13所述的低发热的温度补偿方法，其特征在于，其中生成数字误差值的步骤包括：
检测光通信装置使用时的温度，计算作为与光通信装置中检测到的温度相对应的电压信号和与光通信装置的参考温度相对应的电压信号之间的差别的误差电压值；并且
对误差电压值进行模拟/数字转换，并执行误差电压值的数字信号处理。
15、如权利要求13所述的低发热的温度补偿方法，其特征在于，其中所述的两个信号中的每一个都包含一个电压信号。
16、如权利要求13所述的低发热的温度补偿方法，其特征在于，进一步包含下面的步骤：
接收温度补偿信号；
放大温度补偿信号；并且
提供已经进行了温度补偿的温度补偿信号作为高电流。
17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中的放大和提供步骤是使用脉冲宽度调制和整流执行的。
18、一种低发热的温度补偿方法，其允许光通信装置拥有恒定的温度特性而与环境温度的改变无关，该低发热的温度补偿方法包括下面的步骤：
检测光通信装置使用时的温度，对与光通信装置中检测到的温度相对应的信号和与光通信装置的参考温度相对应的信号进行数字信号处理，随后生成代表了两个信号差别的数字误差值；
将温度比较单元的误差值模拟/数字转换为数字信号；
按照模拟温度补偿信号以模拟的方法执行光通信装置的温度补偿；
数字/模拟转换数字温度补偿信号以生成模拟温度补偿信号；
使用数字的方法执行比例积分微分控制，以便按照迫使数字误差值为0的方式生成温度补偿信号。
19、如权利要求18所述的低发热的温度补偿方法，其特征在于，其中所述的两个信号中的每一个都包含一个电压信号。
20、如权利要求18所述的低发热的温度补偿方法，其特征在于，该方法进一步包含下面的步骤：
接收模拟温度补偿信号；
放大模拟温度补偿信号；并且
提供已经进行了温度补偿的模拟温度补偿信号作为高电流。
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