專利名稱：數(shù)字控制式直流升壓裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種特別適用于分布式光纖測溫系統(tǒng)中的，能夠保證Aro增益穩(wěn)定，增加測溫的準(zhǔn)確度的數(shù)字控制式直流升壓裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代以來，光纖傳感技術(shù)在發(fā)達(dá)國家得到了迅速的發(fā)展，各種光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。從20世紀(jì)70年代末，我國開始從事這方面的研究，目前國內(nèi)比較成熟的光纖傳感產(chǎn)品是分布式光纖測溫產(chǎn)品。分布式光纖測溫系統(tǒng)基于光纖后向拉曼散射技術(shù)，如何獲取后向拉曼的斯托克斯光和反斯托克斯光信號是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。由于斯托克斯光和反斯托克斯光信號很微弱，目前使用的方法就是通過APD (雪崩光電二極管)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過運(yùn)算放大經(jīng)采集卡完成數(shù)據(jù)采集上傳。光電信號的轉(zhuǎn)換主要依靠APD的光電雪崩效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，AH)產(chǎn)生光電雪崩的條件為一、施加一定電壓(25°C大約在200V) ;二、有一定數(shù)量的光子打入。數(shù)字控制式直流升壓電源為APD提供一個(gè)穩(wěn)定的高電壓。光電轉(zhuǎn)換電路中從APD輸出的信號很微弱，大約在IuA左右，為了盡可能小的引入噪聲，直流升壓電源的高壓輸出波動(dòng)越小越好。同時(shí)為了降低光電轉(zhuǎn)換輸出信號的波動(dòng)，APD增益必須保持穩(wěn)定，APD增益與其所處環(huán)境溫度、所加電壓有關(guān)，為了保證APD增益穩(wěn)定，需要根據(jù)APD所處環(huán)境溫度來調(diào)節(jié)APD所加電壓。目前解決這個(gè)問題的主要方法是保證APD所處環(huán)境溫度穩(wěn)定，給APD施加固定電壓，其方法為將APD制作成蝶形封裝，將溫度控制器件與APD集成于一體。采用這種方式雖然可以保證APD溫度穩(wěn)定，只要保證APD所加電壓穩(wěn)定就可以保證APD增益穩(wěn)定，但是采用這種方式需要增加大量的溫控外圍電路，而且增加了 APD的加工工藝，APD價(jià)格也大幅增加。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有保持Aro增益穩(wěn)定方法的不足，提出了一種結(jié)構(gòu)合理、工作可靠，可以使用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)對電壓輸出的閉環(huán)控制，APD增益穩(wěn)定性好的數(shù)字控制式直流升壓裝置及其應(yīng)用。本實(shí)用新型可以通過以下措施達(dá)到—種數(shù)字控制式直流升壓裝置，包括數(shù)字控制電路、Aro模塊、溫度檢測單元、直流升壓電路、模擬PI電路以及電壓檢測電路，其特征在于數(shù)字控制電路內(nèi)設(shè)有ARM控制器、分別與ARM控制器相連接的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的另一端分別與電壓檢測電路輸出端和模擬PI電路的輸入端相連接，模擬PI電路的輸出端與直流升壓電路的輸入端相連接，直流升壓電路與APD模塊相連接，溫度檢測單元粘貼在APD表面，其輸出端與ARM控制器相連接。[0008]本實(shí)用新型中所述直流升壓電路設(shè)有脈沖發(fā)生器U1，儲(chǔ)能電感LI，儲(chǔ)能電容⑶I和MOSFET管Tl，其中脈沖發(fā)生器Ul的脈沖輸出端與MOSFET管Tl相連接，MOSFET管的另外兩個(gè)管腳分別與儲(chǔ)能電感LI、儲(chǔ)能電容CDl相連接，儲(chǔ)能電感LI與儲(chǔ)能電容CDl之間設(shè)有二極管Dl,在使用時(shí),模擬PI向脈沖發(fā)生器Ul內(nèi)輸入一個(gè)高于2. 5V的電壓信號,脈沖發(fā)生器Ul脈沖輸出被使能，向MOSFET管Tl發(fā)出固定頻率，固定占空比的脈沖信號(如頻率IOOkHz,占空比95%)，當(dāng)脈沖信號處于高電平時(shí)，MOSFET管Tl處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI處于充電狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI將儲(chǔ)存一定的電能，當(dāng)脈沖信號處于低電平時(shí)，MOSFET管Tl處于截止?fàn)顟B(tài)，儲(chǔ)能電感LI處于放電狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI通過二極管Dl釋放電能給儲(chǔ)能電容CDl，儲(chǔ)能電容CDl獲得電能，電位升高，一個(gè)脈沖周期儲(chǔ)能電容CDl兩端的電位上升的電壓達(dá)不到設(shè)定值，可以通過多個(gè)脈沖周期逐漸將儲(chǔ)能電容CDl電位升到設(shè)定的值，儲(chǔ)能電容CDl兩端的電位升到設(shè)定值,模擬PI電路輸出一個(gè)低于2. 5V的電壓信號,脈沖發(fā)生器Ul經(jīng)電壓檢測電路檢測到脈沖輸出使能引腳的電平低于2. 5V，停止脈沖輸出，保持輸出低電平。本實(shí)用新型中的模擬PI電路中設(shè)有三只運(yùn)算放大器，數(shù)字控制電路輸出控制信號送給運(yùn)算放大器U1，用于實(shí)現(xiàn)電壓跟隨的運(yùn)算放大器Ul輸出的信號按強(qiáng)度I比I的送給運(yùn)算放大器U2的反相輸入端，運(yùn)算放大器U2將電壓檢測電路輸出與運(yùn)算放大器Ul輸出的差值進(jìn)行一定比例的放大運(yùn)算后，輸出送給運(yùn)算放大器U3的反相輸入端，運(yùn)算放大器U3將2. 5V電壓與運(yùn)算放大器U2輸出的差值進(jìn)行積分放大運(yùn)算后的輸出作為模擬PI電路的最終輸出。本實(shí)用新型在使用時(shí)，溫度檢測單元粘貼在APD表面測量APD的溫度，ARM控制器實(shí)時(shí)讀取溫度檢測單元的溫度值，ARM控制器核對該溫度值下APD需要加的電壓，該控制電壓信號通過D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)給模擬PI電路，模擬PI電路將檢測的輸出電壓信號與控制電壓信號進(jìn)行比例積分運(yùn)算，快速的調(diào)節(jié)直流升壓電路的電壓輸出，電壓檢測電路將檢測的高壓信息發(fā)給模擬PI電路和A/D轉(zhuǎn)換器，ARM控制器通過讀取A/D的數(shù)據(jù)確認(rèn)ATO所加電壓是否正確。一種分布式光纖測溫裝置，包括激光發(fā)生器、與激光發(fā)生器的輸出端相連接并將激光脈沖輸入傳感光纖的波分復(fù)用器、傳感光纖、與波分復(fù)用器相連接的光電轉(zhuǎn)換電路、與光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連接的信號放大電路、與信號放大電路輸出端相連接的數(shù)據(jù)采集上傳電路、與數(shù)據(jù)采集上傳電路相連接的溫度解調(diào)器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換電路的APD電壓由上述數(shù)字控制式直流升壓裝置提供。本實(shí)用新型中所述的分布式光纖測溫裝置，其中激光發(fā)生器為整個(gè)裝置提供脈沖激光束，脈沖激光束經(jīng)波分復(fù)用器打進(jìn)傳感光纖，激光在光纖中產(chǎn)生后向拉曼散射，后向拉曼信號里攜帶著溫度信息；波分復(fù)用器的作用是將脈沖激光束、瑞利光、斯托克斯光和反斯托克斯光分離開，脈沖激光打進(jìn)傳感光纖后，激光在光纖中會(huì)產(chǎn)生拉曼散射和瑞利散射，瑞利散射光的中心波長與打入激光中心波長一樣，拉曼散射生成波長變長的斯托克斯光和波長變短的反斯托克斯光，波分復(fù)用裝置將返回的瑞利光濾除，將斯托克斯光和反斯托克斯光分開為兩路輸出；光電轉(zhuǎn)換電路作用是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，從波分復(fù)用器返回的斯托克斯光和反斯托克斯光信號是不能直接進(jìn)行檢測的，需要將其轉(zhuǎn)換為電信號之后才可以測量，光電轉(zhuǎn)換電路通過兩只Aro將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；信號放大處理電路的作用是保證足夠帶寬的前提下將電信號進(jìn)行放大處理，APD將光信號轉(zhuǎn)換成電信號但是信號強(qiáng)度十分微弱，僅為uA量級的電流信號，信號放大處理電路分為三級放大，第一級將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，第二級為正向放大，第三級為反向放大，數(shù)據(jù)采集上傳電路的作用是將斯托克斯和反斯托克斯信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后完成一定次數(shù)的累加之后將數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)系統(tǒng)，PC機(jī)系統(tǒng)只能對數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算處理，所以斯托克斯和反斯托克斯兩路模擬量必須經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才能進(jìn)行下一步的計(jì)算，由于斯托克斯和反斯托克斯信號參雜了大量的白噪聲，單次采集上傳的數(shù)據(jù)無法使用，通過一定次數(shù)的累加之后白噪聲得以抑制，數(shù)據(jù)采集上傳電路通過USB方式將累加之后的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)系統(tǒng)；溫度解調(diào)裝置的作用是將上傳的斯托克斯和反斯托克斯數(shù)據(jù)通過相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)對上傳數(shù)據(jù)到溫度轉(zhuǎn)換，溫度解調(diào)裝置本身是一臺PC主機(jī)，其通過USB接口接受數(shù)據(jù)采集電路的數(shù)據(jù)，然后運(yùn)行相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)溫度解調(diào)。本實(shí)用新型提出了數(shù)字控制式直流升壓裝置及方法，方便可編程控制器直接控制，成本較低，性能穩(wěn)定，為保持APD增益穩(wěn)定提供了完整的解決方法，數(shù)字控制式直流升壓電源可以使用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)對電壓輸出的閉環(huán)控制，控制效果好，Aro增益穩(wěn)定性好，電路設(shè)計(jì)簡單，大幅降低了費(fèi)用。


附圖I是本實(shí)用新型中直流升壓電路結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本實(shí)用新型中模擬PI電路的一種結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是本實(shí)用新型中數(shù)字控制部分的一種結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記數(shù)字控制電路1、APD模塊2、溫度檢測單元3、直流升壓電路4、模擬PI電路5、電壓檢測電路6、ARM控制器7、A/D轉(zhuǎn)換器8、D/A轉(zhuǎn)換器9、電源基準(zhǔn)芯片10。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。本實(shí)用新型提出了一種數(shù)字控制式直流升壓裝置，包括數(shù)字控制電路I、Aro模塊
2、溫度檢測單元3、直流升壓電路4、模擬PI電路5以及電壓檢測電路6，其特征在于數(shù)字控制電路I內(nèi)設(shè)有ARM控制器7、分別與ARM控制器7相連接的A/D轉(zhuǎn)換器8和D/A轉(zhuǎn)換器9，A/D轉(zhuǎn)換器8和D/A轉(zhuǎn)換器9的另一端分別與電壓檢測電路6輸出端和模擬PI電路5的輸入端相連接，模擬PI電路5的輸出端與直流升壓電路4的輸入端相連接，直流升壓電路4與APD模塊2相連接，溫度檢測單元3粘貼在APD模塊2表面，其中輸出端與ARM控制器7相連接。如附圖I所示，本實(shí)用新型中所述直流升壓電路由脈沖發(fā)生器U1，儲(chǔ)能電感LI，儲(chǔ)能電容⑶I和MOSFET管Tl組成，在使用時(shí)，模擬PI向脈沖發(fā)生器內(nèi)輸入一個(gè)高于2. 5V的電壓信號，脈沖發(fā)生器Ul脈沖輸出被使能，發(fā)出固定頻率，固定占空比的脈沖信號，當(dāng)脈沖信號處于高電平時(shí)，MOSFET管Tl處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI處于充電狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI將儲(chǔ)存一定的電能，當(dāng)脈沖信號處于低電平時(shí)，MOSFET管Tl處于截止?fàn)顟B(tài)，儲(chǔ)能電感LI處于放電狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LI通過二極管Dl釋放電能給儲(chǔ)能電容CDl，儲(chǔ)能CDl獲得電能，電位升高，一個(gè)脈沖周期儲(chǔ)能電容CDl兩端的電位上升的電壓達(dá)不到設(shè)定值，可以通過多個(gè)脈沖周期逐漸將CDl電位升到設(shè)定的值，CDl兩端的電位升到設(shè)定值，模擬PI電路輸出一個(gè)低于2. 5V的電壓信號，脈沖發(fā)生器Ul檢測到脈沖輸出使能引腳的電平低于2. 5V，停止脈沖輸出，保持輸出低電平。如附圖2所示，本實(shí)用新型中的模擬PI電路5，主要由三只運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)算放大器Ul實(shí)現(xiàn)電壓跟隨功能，運(yùn)算放大器U2實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算功能，運(yùn)算放大器U3實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算功能，工作時(shí)，數(shù)字控制電路輸出控制信號送給運(yùn)算放大器U1，運(yùn)算放大器Ul實(shí)現(xiàn)電壓跟隨，運(yùn)算放大器Ul輸出的信號強(qiáng)度按I比I的送給運(yùn)算放大器U2的反相輸入端，運(yùn)算放大器U2將電壓檢測電路輸出與運(yùn)算放大器Ul輸出的差值進(jìn)行一定比例的放大運(yùn)算，運(yùn)算放大器U2的輸出送給運(yùn)算放大器U3的反相輸入端，運(yùn)算放大器U3將2. 5V電壓與運(yùn)算放大器U2輸出的差值進(jìn)行積分放大運(yùn)算，運(yùn)算放大器U3的輸出作為模擬PI電路的最終輸出，控制直流升壓電路4的工作狀態(tài)。如附圖3所示，數(shù)字控制部分主要由ARM控制器7、A/D轉(zhuǎn)換器8、D/A轉(zhuǎn)換器9組成，其中ARM處理器7分別與A/D轉(zhuǎn)換器8、D/A轉(zhuǎn)換器9、電壓檢測電路6、溫度檢測單元3相連接，此外A/D轉(zhuǎn)換器8和D/A轉(zhuǎn)換器9還與電源基準(zhǔn)芯片10相連接。圖4描述了 APD電壓溫度控制框圖，主要由數(shù)字控制電路I、模擬PI電路5、電壓·檢測電路6、直流升壓電路4、溫度檢測單元3組成，數(shù)字控制電路I讀取溫度檢測單元3的溫度值，數(shù)字控制電路I根據(jù)APD電壓溫度關(guān)系，向模擬PI電路5發(fā)送電壓控制信號，模擬PI電路5根據(jù)電壓檢測電路6和數(shù)字控制電路I的輸入快速控制直流升壓電路4進(jìn)行升壓，直流升壓電路4最終輸出穩(wěn)定的電壓送給APD模塊2，數(shù)字控制電路I經(jīng)電壓檢測電路6周期性的獲取直流升壓的電路的電壓值，檢測電壓是否正常。本實(shí)用新型提出的數(shù)字控制式直流升壓裝置，直流升壓電路通過固定頻率、固定占空比的脈沖信號觸發(fā)功率MOSFET管，儲(chǔ)能電感和儲(chǔ)能電容通過充放電實(shí)現(xiàn)直流升壓，模擬PI電路對控制輸入和反饋輸入進(jìn)行比例積分運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的快速控制，溫度檢測單元可以粘貼于APD模塊2表面，并實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字上傳，數(shù)字控制電路ARM控制器7通過D/A轉(zhuǎn)換器9控制電壓輸出，通過A/D轉(zhuǎn)換器8以及電壓檢測電路6檢測電壓輸出是否正
堂
巾O本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)APD電壓溫度調(diào)節(jié)采用數(shù)字方式控制，增加了控制的靈活性和準(zhǔn)確性；升壓電路簡單，使用的器件較少，降低了保持APD增益穩(wěn)定的成本。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字控制式直流升壓裝置，包括數(shù)字控制電路、Aro模塊、溫度檢測單元、直流升壓電路、模擬PI電路以及電壓檢測電路，其特征在于數(shù)字控制電路內(nèi)設(shè)有ARM控制器、分別與ARM控制器相連接的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的另一端分別與電壓檢測電路輸出端和模擬PI電路的輸入端相連接，模擬PI電路的輸出端與直流升壓電路的輸入端相連接，直流升壓電路與APD模塊相連接，溫度檢測單元粘貼在APD表面，其輸出端與ARM控制器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種數(shù)字控制式直流升壓裝置，其特征在于所述直流升壓電路設(shè)有脈沖發(fā)生器Ul，儲(chǔ)能電感LI，儲(chǔ)能電容⑶I和MOSFET管Tl，其脈沖發(fā)生器Ul的脈沖輸出端與MOSFET管Tl相連接，MOSFET管的另外兩個(gè)管腳分別與儲(chǔ)能電感LI、儲(chǔ)能電容⑶I相連接，儲(chǔ)能電感LI與儲(chǔ)能電容⑶I之間設(shè)有二極管Dl。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種數(shù)字控制式直流升壓裝置，其特征在于模擬PI電路中設(shè)有三只運(yùn)算放大器，數(shù)字控制電路輸出控制信號送給運(yùn)算放大器U1，用于實(shí)現(xiàn)電壓跟隨的運(yùn)算放大器Ul輸出的信號按強(qiáng)度I比I的送給運(yùn)算放大器U2的反相輸入端，運(yùn)算放大器U2將電壓檢測電路輸出與運(yùn)算放大器Ul輸出的差值進(jìn)行一定比例的放大運(yùn)算后，輸出送給運(yùn)算放大器U3的反相輸入端，運(yùn)算放大器U3將2. 5V電壓與運(yùn)算放大器U2輸出的差值進(jìn)行積分放大運(yùn)算后的輸出作為模擬PI電路的最終輸出。
4.一種分布式光纖測溫裝置，包括激光發(fā)生器、與激光發(fā)生器的輸出端相連接并將激光脈沖輸入傳感光纖的波分復(fù)用器、傳感光纖、與波分復(fù)用器相連接的光電轉(zhuǎn)換電路、與光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連接的信號放大電路、與信號放大電路輸出端相連接的數(shù)據(jù)采集上傳電路、與數(shù)據(jù)采集上傳電路相連接的溫度解調(diào)器，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換電路內(nèi)設(shè)有如權(quán)利要求I至3中任意一項(xiàng)所述的數(shù)字控制式直流升壓裝置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種數(shù)字控制式直流升壓電源及其應(yīng)用，其特征在于數(shù)字控制電路內(nèi)設(shè)有ARM控制器、分別與ARM控制器相連接的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的另一端分別與電壓檢測電路輸出端和模擬PI電路的輸入端相連接，模擬PI電路的輸出端與直流升壓電路的輸入端相連接，直流升壓電路與APD模塊相連接，溫度檢測單元粘貼在APD模塊表面，其中輸出端與ARM控制器相連接，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)APD電壓溫度調(diào)節(jié)采用數(shù)字方式控制，增加了控制的靈活性和準(zhǔn)確性；使用的器件較少，降低了保持APD增益穩(wěn)定的成本。
文檔編號H02M3/07GK202750009SQ20122047010
公開日2013年2月20日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者張永臣, 史振國, 劉瑜 申請人:威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司