本文檔討論了使用 DS4830A 光學(xué)微控制器控制 TEC。首先使用雙線性變換將原型模擬控制器的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散域。然后為電流回路提供一個(gè) PI 控制器。將系統(tǒng)地解釋使用 DS4830A 的所有程序及其實(shí)現(xiàn)。

本文首先簡要討論熱電冷卻器 (TEC) 的基本工作原理及其在光學(xué)模塊中的應(yīng)用。然后介紹了一種使用光學(xué)微控制器的 TEC 控制數(shù)字方法。包括數(shù)學(xué)分析、算法實(shí)現(xiàn)、固件流程圖、編碼技巧和示例代碼，使本文成為 TEC 控制的分步指南。附錄包括數(shù)字濾波器系數(shù)計(jì)算器實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和示例代碼。

第一部分：背景信息

TEC 的工作原理
熱電冷卻器 (TEC) 是一種基于珀?duì)柼?yīng)的設(shè)備。它通常包括兩種材料，并在強(qiáng)制直流電流通過的同時(shí)將熱量從設(shè)備的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。散熱的一側(cè)變冷；熱量移動(dòng)的一側(cè)變熱。當(dāng)電流反向時(shí)，先前“冷”的一面變熱，先前“熱”的一面變冷。

TEC 沒有移動(dòng)部件或工作流體，因此非常可靠且尺寸非常小。TEC 用于許多需要精確溫度控制的應(yīng)用，包括光學(xué)模塊。

光模塊需要精密溫度控制的主要原因有兩個(gè)。

1) 激光器需要冷卻或加熱以保持其光學(xué)性能。
2) 激光需要設(shè)置在特定波長。

密集波分復(fù)用 (DWDM) 中還需要良好控制的溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的信道間隔。盡管多個(gè)激光器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)一根光纖以實(shí)現(xiàn)大的多通道數(shù)據(jù)速率，但需要嚴(yán)格控制激光波長以確保正確的通道間隔。由于激光波長與溫度有關(guān)，因此必須很好地控制溫度。因此，溫度控制是許多光學(xué)應(yīng)用的重要任務(wù)。TEC 因其體積小且易于使用而被廣泛用于此類應(yīng)用。

第二部分：TEC 控制背后的數(shù)學(xué)

**TEC 控制概述：雙回路控制的重要性**
TEC 通常用作加熱或冷卻元件來控制特定設(shè)備（例如激光模塊）的溫度。為了獲得良好的性能，實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)（熱環(huán)和電流環(huán)）控制。圖 1 是一個(gè)簡化的系統(tǒng)框圖，顯示了 TEC 控制的基本思想。

簡化的 TEC 控制框圖。

典型激光應(yīng)用中的控制回路基本如下工作。首先，根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置激光模塊的目標(biāo)溫度。溫度感測裝置（通常是熱敏電阻）感測實(shí)際模塊溫度。目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度之差即為溫度誤差。熱回路控制器處理這個(gè)溫度誤差。熱回路控制器的輸出是目標(biāo) TEC 電流。與熱回路類似，電流感測組件感測 TEC 電流并將其與目標(biāo) TEC 電流進(jìn)行比較。區(qū)別在于當(dāng)前的錯(cuò)誤。接下來，電流誤差被提供給電流回路控制器。電流回路控制器調(diào)節(jié) TEC 驅(qū)動(dòng)電路，以保持實(shí)際 TEC 電流接近目標(biāo)值。

傳統(tǒng)控制策略和實(shí)現(xiàn)
市場上可用的傳統(tǒng)TEC控制策略使用模擬器件，例如模擬TEC控制器/驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)算放大器（op amps）來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。雖然這些電路已經(jīng)很好地建立，但它們有一些缺點(diǎn)。

1) 模擬實(shí)現(xiàn)通常需要很多元件，進(jìn)而需要更多的 PCB 面積。擁有更多組件也會(huì)導(dǎo)致更高的故障率。
2) 在模擬方法中，控制閾值和系數(shù)由離散組件設(shè)置。為了實(shí)現(xiàn)高控制性能，需要使用具有嚴(yán)格公差的組件，這反過來又增加了成本。這些組件還會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移，從而影響 TEC 性能。
3) 從開發(fā)的角度來看，修改開發(fā)的電路來為新應(yīng)用工作并不容易。組件值是相互依賴的，必須更改多個(gè)組件才能進(jìn)行修改。

使用 DS4830A 光控制器

的數(shù)字 TEC 控制DS4830A 是一款 16 位低功耗微控制器，具有實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字 TEC 控制所需的資源。微控制器需要具備幾個(gè)集成能力：

• 具有 26 輸入多路復(fù)用器的 13 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)
• 八通道獨(dú)立 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
• 10 個(gè)脈寬調(diào)制 (PWM) 通道，分辨率高達(dá) 16 位
• 32k 字的閃存和 2k 字的 SRAM
• 帶 48 位累加器的單周期乘法累加單元 (MAC)

與模擬 TEC 控制器不同，DS4830A 光學(xué)微控制器使用帶有固件的數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 來實(shí)現(xiàn)控制邏輯。這減少了所需組件的數(shù)量，并使控制參數(shù)更加準(zhǔn)確和可重復(fù)。此外，修改固件以適應(yīng)新應(yīng)用比改變分立元件更容易。圖 2 是說明數(shù)字 TEC 控制方法的系統(tǒng)框圖。

DS4830A TEC 控制框圖。

這種 TEC 控制方法有一些重要的觀察結(jié)果：

1) 溫度被轉(zhuǎn)換成電壓并用電壓表示。控制熱敏電阻電壓實(shí)際上就是在控制激光模塊的溫度。

2) 所有輸入信號(hào)在處理前都經(jīng)過數(shù)字化處理。使用單端通道轉(zhuǎn)換設(shè)定點(diǎn)電壓和熱敏電阻電壓；TEC 電流和電壓使用差分通道轉(zhuǎn)換以獲得更好的性能。

3) 圖 2 中的熱回路控制器和電流回路控制器均以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，從而減少了使用的組件數(shù)量。

4) 熱回路和電流回路有不同的更新周期。熱環(huán)更新周期通常是電流環(huán)更新周期的倍數(shù)。這將在后面更詳細(xì)地討論。

在下一節(jié)中，我們將討論熱回路控制器的原理和操作。

DS4830A TEC 控制：熱回路

的操作熱回路控制器的主要功能是處理溫度誤差，即激光模塊的目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的差異，并產(chǎn)生目標(biāo)TEC 電流。這在圖 1 中進(jìn)行了說明。圖 2 中顯示了更多細(xì)節(jié)。

如前所述，溫度被轉(zhuǎn)換為電壓并由電壓表示。特別地，激光模塊的目標(biāo)溫度由設(shè)定點(diǎn)電壓表示，用VSET表示。熱敏電阻通常放置在非常靠近激光模塊的位置，因此熱敏電阻的溫度實(shí)際上與激光模塊的溫度相同。同樣，熱敏電阻溫度由熱敏電阻兩端的電壓 VTHERM 表示。控制激光模塊的溫度相當(dāng)于控制VTHERM。由于熱回路控制器是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的，因此設(shè)定點(diǎn)電壓和熱敏電阻電壓都由 ADC 數(shù)字化。

編輯：hfy