本發(fā)明屬于溫度控制技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路,
背景技術(shù):
近年來,紅外成像技術(shù)飛速發(fā)展,已從最初的軍事應(yīng)用領(lǐng)域延伸到工業(yè)以及民用領(lǐng)域。制冷型成像設(shè)備價(jià)格昂貴、體積大、功耗高等因素使得其較多應(yīng)用于軍隊(duì)。非制冷型成像設(shè)備價(jià)格低、體積小、重量輕、功耗低,在軍民兩用領(lǐng)域都有不可估量的前景,而對(duì)非制冷紅外焦平面的溫度控制是紅外成像領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一。非制冷紅外焦平面技術(shù)分微測(cè)輻射熱計(jì)和熱釋電技術(shù)兩種。基于微測(cè)輻射熱計(jì)原理的非制冷紅外焦平面是利用紅外輻射引起熱敏像元溫度上升,導(dǎo)致自身阻值變化,改變讀出電壓值,從而探測(cè)目標(biāo)溫度特性。因此,熱敏像元的性能將直接影響非制冷紅外焦平面的探測(cè)靈敏度,只有盡量使非制冷紅外焦平面陣列所有像元溫度保持在均勻、恒定的溫度下,才能從根本上提高非制冷紅外焦平面的探測(cè)靈敏度,抑制由此引起的工作點(diǎn)漂移,所以設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫度控制系統(tǒng),是高性能非制冷紅外焦平面系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提出一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路,驅(qū)動(dòng)法國(guó)ULIS03191-019型384×288分辨率長(zhǎng)波(8~12μm)非制冷紅外探測(cè)器,該探測(cè)器內(nèi)置熱電制冷器(TEC),穩(wěn)定非制冷紅外焦平面溫度,減小某型連續(xù)變焦非制冷紅外熱像儀非均勻校正難度,從根本上提高非制冷紅外熱像儀系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
技術(shù)方案
一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路,其特征在于包括信號(hào)濾波調(diào)理單元、PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置單元、MAX1978主控制器單元、頻率相位控制單元和TEC驅(qū)動(dòng)單元;所述濾波調(diào)理單元的輸入與非制冷紅外焦平面溫度信號(hào)VTEMP輸出端連接,輸出端連接MAX1978主控制器的第18引腳;所述頻率相位控制單元輸出端連接MAX1978主控制器的第36引腳,設(shè)置主控制器PWM控制電路的開關(guān)頻率;所述TEC限壓限流控制單元的輸出連接MAX1978主控制器的第41引腳,設(shè)置主控制器單元的最大輸出電壓電流;所述PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置單元包括C1電容、C2電容、C3電容、R1電阻、R2電阻、R3電阻;主控制器第17引腳輸入到R1和C1公共端,C1電容串聯(lián)R1電阻后與R2電阻并聯(lián)連接主控制器的第15引腳,R3電阻串聯(lián)C2電容后與C3電容并聯(lián)后連接輸出至主控制器14引腳,控制信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算后控制信號(hào)被送入主控制器單元的PWM控制電路;所述MAX1978主控制器的場(chǎng)效應(yīng)管FET驅(qū)動(dòng)電路輸出端,第1引腳和第48引腳連接非制冷紅外焦平面的TEC,對(duì)焦平面工作溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制,達(dá)到閉環(huán)控制。
所述MAX1978開關(guān)頻率選定500KHz,第41引腳VMAXV≤0.875V。
所述TEC輸出電感電容值滿足TEC兩端最大工作電壓VTEC≤3.5V。
所述C2=10μF,R3=100KΩ,C1=0.47μF,R2=1MΩ,C3=0.047μF,R1=20K。
所述信號(hào)濾波調(diào)理單元包括R9電阻、R6電阻、R17電阻、R18電阻、C26電容、C25電容和運(yùn)算放大器A;信號(hào)輸入端通過R9電阻連接運(yùn)算放大器A的正端,C26電容跨接在運(yùn)算放大器A的正端與接地端,R6電阻跨接在運(yùn)算放大器A的負(fù)端與輸出端,運(yùn)算放大器A的供電端連接5V電源,同時(shí)通過C25電容接地,運(yùn)算放大器A的輸出端通過R17電阻信號(hào)輸出,同時(shí)通過R18電阻接地。
有益效果
本發(fā)明提出的一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路,對(duì)溫度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過濾波調(diào)理再經(jīng)過運(yùn)算放大器跟隨輸出,此處電路設(shè)計(jì)考慮對(duì)信號(hào)傳輸路徑進(jìn)行阻抗匹配,尤其是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行無損傳輸。本文采用MAX1978作為主控制器,該芯片具有溫度控制精度±0.001℃能力,滿足使用要求。整個(gè)溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制策略,非制冷紅外焦平面的反饋溫度信號(hào)輸入至一階低通濾波后,再經(jīng)高精度運(yùn)算放大器跟隨后輸入至H橋電路送入MAX1978的內(nèi)部運(yùn)算放大器的反相輸入端,形成負(fù)反饋。本發(fā)明中選擇高精密電阻電容,構(gòu)建出穩(wěn)定控制參數(shù)的模擬PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是核心,溫度監(jiān)控輔助功能便于對(duì)電路工作情況進(jìn)行分析。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,非制冷紅外焦平面溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行有效可靠。
優(yōu)越性在于:
1溫控電路尺寸小,便于機(jī)芯集成:該溫控電路參數(shù)通過電阻電容配置,選擇高精度電阻電容,參數(shù)一旦確定,電路便可模塊化,尺寸可設(shè)計(jì)為30×30mm,可集成到非制冷成像機(jī)芯中。
2閉環(huán)控制,PID控制:該電路為閉環(huán)控制,通過配置電阻電容參數(shù),PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠使得該溫度控制系統(tǒng)得到最優(yōu)的穩(wěn)定性,并在保證穩(wěn)定性的同時(shí)使系統(tǒng)在最快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求。
附圖說明
圖1:TEC工作原理圖
其中:1-N型及P型半導(dǎo)體,2-絕緣體(陶瓷片),3-金屬導(dǎo)體,A-吸熱,B放熱,C冷端(接被控物),D熱端(接散熱片)
圖2:本發(fā)明溫度控制電路原理圖
圖3:PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖
圖4:VTEMP濾波調(diào)理原理圖
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路,由濾波調(diào)理單元、PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)單元、主控制器單元和TEC驅(qū)動(dòng)單元組成,溫度控制電路的核心是濾波調(diào)理單元和PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)單元。設(shè)計(jì)中通過對(duì)非制冷紅外焦平面溫度反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)理濾波,選擇合適運(yùn)算放大器及PID控制所需的電阻電容,來獲得快速精確的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
連接關(guān)系:濾波調(diào)理單元的輸入與非制冷紅外焦平面溫度信號(hào)VTEMP輸出端連接,輸出端連接MAX1978主控制器的第18引腳;頻率相位控制單元輸出端連接MAX1978主控制器的第36引腳,設(shè)置主控制器PWM控制電路的開關(guān)頻率;TEC限壓限流控制單元的輸出連接MAX1978主控制器的第41引腳,設(shè)置主控制器單元的最大輸出電壓電流;PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置單元包括C1電容、C2電容、C3電容、R1電阻、R2電阻、R3電阻;主控制器第17引腳輸入到R1和C1公共端,C1電容串聯(lián)R1電阻后與R2電阻并聯(lián)連接主控制器的第15引腳,R3電阻串聯(lián)C2電容后與C3電容并聯(lián)后連接輸出至主控制器14引腳,控制信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算后控制信號(hào)被送入主控制器單元的PWM控制電路;所述MAX1978主控制器的場(chǎng)效應(yīng)管FET驅(qū)動(dòng)電路輸出端,第1引腳和第48引腳連接非制冷紅外焦平面的TEC,對(duì)焦平面工作溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制,達(dá)到閉環(huán)控制。
各單元特征:
(1)非制冷紅外焦平面溫度信號(hào)VTEMP輸入到濾波調(diào)理單元進(jìn)行濾波調(diào)理,濾波調(diào)理單元主要由運(yùn)算放大器及RC(電阻電容)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,這樣設(shè)計(jì)的目的是增加輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力,并進(jìn)行低通濾波,抑制高頻噪聲,處理后信號(hào)送入主控制器單元MAX1978芯片的第18引腳;
(2)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接至主控制器單元MAX1978芯片的第14、15和第17引腳,控制信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算后被送入主控制器單元的PWM控制電路,其中PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選擇高精度電阻電容是關(guān)鍵;
(3)TEC限壓限流控制單元主要是運(yùn)用電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置主控制器單元的最大輸出電壓電流,TEC限壓限流控制單元和主控制器單元的第41引腳連接;頻率相位控制單元設(shè)置主控制器PWM控制電路的開關(guān)頻率,連接至主控制器第36引腳,設(shè)置該引腳為高電平即可;
(4)主控制器根據(jù)TEC限壓限流控制單元及頻率相位控制單元解算TEC驅(qū)動(dòng)電流,最后經(jīng)主控制器的場(chǎng)效應(yīng)管FET驅(qū)動(dòng)電路輸出給TEC,對(duì)焦平面工作溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制,達(dá)到閉環(huán)控制。
(5)本文設(shè)定溫度根據(jù)探測(cè)器ULIS03191-019型384×288分辨率長(zhǎng)波(8~12μm)非制冷紅外探測(cè)器手冊(cè)選擇,為了方便調(diào)試,本發(fā)明中設(shè)計(jì)了輔助溫度監(jiān)控單元。
具體實(shí)施例:
1、工作過程設(shè)計(jì)
本發(fā)明采用法國(guó)ULIS03191-019型384×288分辨率長(zhǎng)波(8~12μm)非制冷紅外探測(cè)器,探測(cè)器芯片內(nèi)部集成TEC,其對(duì)外接口為TEC+、TEC-,探測(cè)器內(nèi)部還集成溫度傳感器,可輸出和溫度成負(fù)相關(guān)的電壓信號(hào)。
根據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù),探測(cè)器焦平面要求工作溫度為30℃,此時(shí)溫度反饋信號(hào)為1.75V。因此設(shè)定溫度電壓為1.75V,當(dāng)溫度反饋信號(hào)高于1.75V時(shí),說明此時(shí)焦平面溫度低于30℃,需要對(duì)焦平面進(jìn)行加熱,TEC電流方向?yàn)門EC-流向TEC+,直到溫度反饋電壓逼近1.75V。當(dāng)溫度反饋信號(hào)低于1.75V時(shí),說明此時(shí)焦平面溫度高于30℃,需要對(duì)焦平面進(jìn)行制冷,TEC電流方向?yàn)門EC+流向TEC-,直到溫度反饋電壓逼近1.75V。
2、非制冷溫度控制電路設(shè)計(jì)
1)濾波調(diào)理單元
從ULIS03191-019器件手冊(cè)中查得該型探測(cè)器溫度反饋信號(hào)負(fù)載必須為電阻R≥100Ω和電容C≤10pF并聯(lián),因此本發(fā)明中對(duì)探測(cè)器輸出溫度反饋信號(hào)VTEMP按照以上要求輸入至一階低通濾波(RC網(wǎng)絡(luò))再經(jīng)運(yùn)算放大器跟隨輸出,這樣可以滿足手冊(cè)要求,并且有助于信號(hào)無損傳輸,同時(shí)增強(qiáng)了VTEMP驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。
2)溫度點(diǎn)設(shè)定
MAX1978的引腳18(FB-)和引腳19(FB+)分別連接到斬波自穩(wěn)零儀表放大器的反相和同相輸入端。FB-為目標(biāo)溫度電壓的連接端,設(shè)定的溫度電壓則連接至FB+。由于MAX1978芯片內(nèi)部精準(zhǔn)電壓源為1.5V±10%,若直接對(duì)溫度反饋電壓(1.75V)進(jìn)行控制,將超出內(nèi)部精準(zhǔn)電壓源最大電壓,因此本發(fā)明中在濾波調(diào)理單元對(duì)溫度反饋電壓信號(hào)進(jìn)行分壓,此處選擇高精度電阻,分壓后電壓可在內(nèi)部精準(zhǔn)電壓源有效范圍內(nèi),便于調(diào)節(jié)控制。另外本發(fā)明中使用MAX1978芯片內(nèi)同一精準(zhǔn)電壓源,所以不會(huì)影響系統(tǒng)的性能和精度。
3)電路設(shè)計(jì)過程
首先設(shè)定MAX1978開關(guān)頻率為500KHz,此開關(guān)頻率下該器件效率高。根據(jù)此開關(guān)頻率選擇TEC輸出電感電容值,根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),選擇本文選擇L=3.0μH,C=1.0μF。電源輸入引腳配置一個(gè)10μF陶瓷電容,盡量靠近電源引腳放置。本發(fā)明采用電阻分壓原理,設(shè)定TEC兩端最大工作電壓。VTEC=4×VMAXV,從ULIS03191-019器件手冊(cè)中查得VTEC≤3.5V,因此本發(fā)明中通過對(duì)MAX1978內(nèi)部精準(zhǔn)電壓源進(jìn)行設(shè)定該芯片41引腳VMAXV≤0.875V。
4)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)定
嚴(yán)格來講,大多數(shù)TEC數(shù)學(xué)模型都可認(rèn)為是二極點(diǎn)系統(tǒng),相位180°的第二個(gè)極點(diǎn)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。而PID控制器可以增加二個(gè)零點(diǎn),這可以抵消TEC數(shù)學(xué)模型的極點(diǎn)。使用PID控制器后,還可以增加相位裕度,改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖3所示,R3和C2可以增加運(yùn)放增益,薄膜電容泄露小但體積大,陶瓷電容體積小,泄露小,鉭電容泄露大。陶瓷電容最合適,本發(fā)明選擇陶瓷電容。通過積分電容C2和R3可配置零點(diǎn),本發(fā)明中設(shè)置C2=10μF,設(shè)定fZ1=0.16Hz,計(jì)算R3=99.47Ω,本發(fā)明選擇R3=100KΩ。按照此方法,計(jì)算C1=0.47μF,R2=1MΩ,C3=0.047μF,選擇R1=20K。
PID(Proportional-Integral-Derivative)算法是有差控制算法,目標(biāo)溫度電壓將會(huì)無限逼近設(shè)定溫度電壓,最后會(huì)在設(shè)定溫度電壓附近小幅振蕩。PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫度控制的關(guān)鍵部分,是影響TEC控制器響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。為了達(dá)到快速響應(yīng),補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須具備精確匹配負(fù)載的特性,因此電阻電容均選擇高精度的器件,使得整個(gè)溫度控制可靠高效。