一种大动态范围的可调衰减器控制电路及方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是一种大动态范围的可调衰减器控制电路及方法。

背景技术

光衰减器(VOA)在光通信中具有广泛的应用，其主要的功能是用于控制信号光的增加和减少。光网络最基本的特性是可调节，特别是随着DWDM传输系统和EDFA在光通信中的应用，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，这些都使得VOA成为其中不可或缺的关键器件。

参见图1所示为现有技术的光路图，其中的11表示输入光纤跳线，12表示一1/99光纤分路器，13表示可调衰减器，14表示另一1/99光纤分路器，15表示输出光纤跳线，16表示输入光电探测器，17表示输出光电探测器。目前在通讯行业中控制VOA的方式主要是采用在VOA的输入和输出增加的PD(光电探测器)，PD经过TIA电路(跨阻放大器)将电流转换成电压信号给MCU的ADC进行采集，通过将功率值和ADC做线性拟合，来计算出当前的输入和输出的功率值，通过输出减去输入的功率值得到当前的实际的衰减值，之后再通过MCU控制的DAC来调节VOA的衰减值，以此达到最终需要的衰减值。

现有的这种调节方法存在如下问题：

(1)控制动态范围小：控制的动态范围由于光路及电路的限制，一般小于等于30dB。

(2)控制电路复杂：这种方案中一定需要增加单片机的软件的来进行采集和控制，不能完全通过硬件进行控制，导致成本增加。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种大动态范围的可调衰减器控制电路及方法，控制的动态范围可达60dB。

本发明采用如下技术方案：

一方面，一种大动态范围的可调衰减器控制电路，包括：输入光电探测器、输出光电探测器、第一对数放大器、第二对数放大器、减法器、积分器、第一可调衰减器和第二可调衰减器；所述输入光电探测器的输入端与输入光功率相连接，所述输入光电探测器的输出端与第一对数放大器的输入端相连接，所述第一对数放大器的输出端与减法器的第一输入端相连接；所述输出光电探测器的输入端与第一可调衰减器和第二可调衰减器并联后的输出端相连接；所述输出光电探测器的输出端与第二对数放大器的输入端相连接，所述第二对数放大器的输出端与减法器的第二输入端相连接；所述减法器的输出端与积分器的第一输入端相连接，所述积分器的第二输入端与预设衰减电压相连接；所述积分器的输出端与第一可调衰减器的电压控制端和第二可调衰减器的电压控制端分别相连接。

优选的，所述第一对数放大器包括第一ADL5303芯片、第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一电阻设置在第一ADL5303芯片的反向输入端与输出端之间；所述第二电阻与所述第三电阻相串联，且设置在第一ADL5303芯片的参考电压端与地之间，所述第二电阻与所述第三电阻的连接点与所述第一电阻相连接。

优选的，所述第二对数放大器包括第二ADL5303芯片、第四电阻、第五电阻和第六电阻；所述第四电阻设置在第二ADL5303芯片的反向输入端与输出端之间；所述第五电阻与所述第六电阻相串联，且设置在第二ADL5303芯片的参考电压端与地之间，所述第五电阻与所述第六电阻的连接点与所述第四电阻相连接。

优选的，所述预设衰减电压通过MCU控制的DAC来调节。

优选的，所述预设衰减电压通过电阻分压电路来调节。

优选的，所述电阻分压电路包括可变电阻器和第七电阻；所述可变电阻器的一端与直流参考电压相连接，另一端与第七电阻的一端相连接，所述第七电阻的另一端与所述积分器的第二输入端相连接。

优选的，所述减法器的第一输入端为反向输出端，所述减法器的第二输入端为正向输出端。

优选的，所述积分器的第一输入端为反向输出端，所述积分器的第二输入端为正向输出端。

另一方面，一种大动态范围的可调衰减器控制方法，基于所述的可调衰减器控制电路，包括：

第一对数放大器将输入光电探测器输出的光电流转换成第一电压VLOG_IN；

第二对数放大器将输出光电探测器输出的光电流转换成第二电压VLOG_OUT；

将所述第一电压VLOG_IN输出到所述减法器的第一输入端，将所述第二电压VLOG_OUT输出到所述减法器的第二输入端，获得差值电压VOUT1；

将所述差值电压VOUT1输出到所述积分器的第一输入端，将预设衰减电压VSET输出到所述积分器的第二输入端，所述积分器比较两个输入端电压的差值，调节输出在第一可调衰减器和第二可调衰减器上的电压值VOUT2，以达到VOUT1和预设衰减电压一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明包括输入光电探测器、输出光电探测器、第一对数放大器、第二对数放大器、减法器、积分器、第一可调衰减器和第二可调衰减器，通过将第一可调衰减器和第二可调衰减器在电路上进行并联连接(光路上串联连接)，以及对对数放大器的周边电阻进行选取，能够实现60dB的控制范围；

(2)本发明的预设衰减电压可以通过MCU控制的DAC来调节，也可以通过电阻分压电路来调节，通过电阻分压电路来调节时，能够不需要通过MCU来进行采集和控制，完全通过硬件电路进行控制，节约成本；此外，通过电阻分压电路来调节，因此可以实时进行动态调节的，同时其控制的时间比数字方式更优。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

图1为本发明实施例的现有技术的小动态范围的可调衰减器控制光路图；

图2为本发明实施例的大动态范围的可调衰减器控制电路的电路图；

图3为本发明实施例的大动态范围的可调衰减器控制光路图；

图4为本发明实施例的第一对数放大器的电路图；

图5为本发明实施例的第二对数放大器的电路图；

图6为本发明实施例的电阻分压电路的电路图；

图7为本发明实施例的减法器的电路图；

图8为本发明实施例的积分器的电路图；

图9为本发明实施例的大动态范围的可调衰减器控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，步骤标识S101、S102、S103等仅用于方便表述，并不表示执行顺序，相应的执行顺序可以进行调节。

参见图2所示，一种大动态范围的可调衰减器控制电路，包括：输入光电探测器21、输出光电探测器22、第一对数放大器23、第二对数放大器24、减法器25、积分器26、第一可调衰减器27和第二可调衰减器28；所述输入光电探测器21的输入端与输入光功率VOA IN相连接，所述输入光电探测器21的输出端与第一对数放大器23的输入端相连接，所述第一对数放大器23的输出端与减法器25的第一输入端相连接；所述输出光电探测器22的输入端与第一可调衰减器27和第二可调衰减器28并联后的输出端VOA OUT相连接；所述输出光电探测器22的输出端与第二对数放大器24的输入端相连接，所述第二对数放大器24的输出端与减法器25的第二输入端相连接；所述减法器25的输出端与积分器26的第一输入端相连接，所述积分器26的第二输入端与预设衰减电压VSET相连接；所述积分器26的输出端与第一可调衰减器27的电压控制端和第二可调衰减器28的电压控制端分别相连接。

具体的，输入光电探测器21通过第一对数放大器23的电路将光电流信号转换成对数的电压信号VLOG_IN，输出光电探测器22通过第二对数放大器24的电路将光电流信号转换成对数的电压信号VLOG_OUT，如下：

第一对数放大器23的输出电压＝VLOG_IN(与输入功率的dBm成线性)

第二对数放大器24的输出电压＝VLOG_OUT(与输出功率的dBm成线性)

VLOG_IN和VLOG_OUT之后进入减法器25电路得出输入输出的差值电压，如下：

VOUT1＝VLOG_OUT-VLOG_IN(与输入输出功率的dBm成线性)

进一步的，VOUT1的差值电压和预设衰减电压VSET进入积分器26电路中，积分电路会比较两个第一输入端和第二输入端电压的差值，调节输出在衰减器上的电压值VOUT2，以达到VOUT1和预设的衰减电压值等价。

根据现有技术的VOA的主要性能指标可知，单个衰减器的衰减范围在30dB左右，为了达到60dB的衰减范围，参见图3所示，需要采用两个衰减器VOA(第一衰减器和第二衰减器)在光路上串联控制连接，两个衰减器VOA在光路上串联控制连接，体现在电路上为如图2所示的并联连接。

为了达到60dB的衰减范围，使用普通的TIA的电路((跨阻放大器))是没办法达到的，所以本发明采用对数放大器的方案来进行设计。

其中，对数放大器可以采用ADI的ADL5303方案，对数放大器是利用BJT晶体管的集电极电流和基级-发射极电压的关系呈对数关系的原理来设计的，同时考虑了温度补偿的相关特性，使用对数放大器可以使探测电路在有限的输出电压范围内，具备探测更宽的动态范围的特性，使得可以实现60dB的动态探测电压输出范围。

具体的，本实施例包括两对数放大器。参见图4所示，所述第一对数放大器23包括第一ADL5303芯片U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；所述第一电阻R1设置在第一ADL5303芯片U1的反向输入端与输出端之间；所述第二电阻R2与所述第三电阻R3相串联，且设置在第一ADL5303芯片U1的参考电压端与地之间，所述第二电阻R2与所述第三电阻R3的连接点与所述第一电阻R1相连接。

参见图5所示，所述第二对数放大器24包括第二ADL5303芯片U2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；所述第四电阻R4设置在第二ADL5303芯片U2的反向输入端与输出端之间；所述第五电阻R5与所述第六电阻R6相串联，且设置在第二ADL5303芯片U3的参考电压端与地之间，所述第五电阻R5与所述第六电阻R6的连接点与所述第四电阻R4相连接。

具体的，根据如下公式，在R

其中，R

根据如上的计算公式，得出如下的电阻匹配信息，按照如下配置，对数放大器在0V～3V之间实现探测范围可以达到60dB左右。

RC＝28～32kΩ；RB＝1.5～2.3kΩ；RA＝4.7～5.2kΩ。

一实施例中，所述预设衰减电压VSET可以通过MCU控制的DAC来调节。另一实施例中，所述预设衰减电压VSET通过电阻分压电路来调节，具体通过增加可变电阻器，用于调节设置分压值，以此可以达到不需要MCU控制的目的。

具体的，参见图6所示，所述电阻分压电路包括可变电阻器R8和第七电阻R7；所述可变电阻器R8的一端与直流参考电压相连接，另一端与第七电阻R7的一端相连接，所述第七电阻R7的另一端与所述积分器26的第二输入端相连接。

由于对数放大器输出的对数电压和dBm是线性的关系，因此使用减法器25进行减法运算后得到是与衰减值成线性关系的对数电压值。

参见图7所示，是减法器25的电路图，所述减法器25的第一输入端为反向输出端，所述减法器25的第二输入端为正向输出端。利用运放的基本原理实现输入和输出的减法运算，如下：

VOUT1(与衰减值成线性)＝VLOG_IN(输入探测电压)-VLOG_OUT(输出探测电压)

参见图8所示，为本实施例的积分器26的电路图。所述积分器26的第一输入端为反向输出端，所述积分器26的第二输入端为正向输出端。

具体的，其中的VOUT1是减法器25的输出，运放的正向输入端通过电阻R14接预设衰减电压VSET，刚开始的时候积分器26正向输入端的电压值是高于反向输入端电压值的，输出电压VOUT2会控制VOA器件有衰减，当反馈回来的反向输入端电压值逐渐增大时，输出电压VOUT2会减少，最终实现反向输入端电压VOUT1和正向输入端的预设衰减电压VSET一致。

另一方面，参见图9所示，一种大动态范围的可调衰减器控制方法，基于所述的可调衰减器控制电路，包括：

S901，第一对数放大器将输入光电探测器输出的光电流转换成第一电压VLOG_IN；

S902，第二对数放大器将输出光电探测器输出的光电流转换成第二电压VLOG_OUT；

S903，将所述第一电压VLOG_IN输出到所述减法器的第一输入端，将所述第二电压VLOG_OUT输出到所述减法器的第二输入端，获得差值电压VOUT1；

S904，将所述差值电压VOUT1输出到所述积分器的第一输入端，将预设衰减电压VSET输出到所述积分器的第二输入端，所述积分器比较两个输入端电压的差值，调节输出在第一可调衰减器和第二可调衰减器上的电压值VOUT2，以达到VOUT1和预设衰减电压一致。

一种大动态范围的可调衰减器控制方法的具体实现与一种大动态范围的可调衰减器控制电路相同，本发明实施例不再重复说明。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。