一种用于非制冷红外焦平面温度控制电路的制作方法

本发明属于温度控制技术领域，涉及一种用于非制冷红外焦平面温度控制电路，

背景技术：

近年来，红外成像技术飞速发展，已从最初的军事应用领域延伸到工业以及民用领域。制冷型成像设备价格昂贵、体积大、功耗高等因素使得其较多应用于军队。非制冷型成像设备价格低、体积小、重量轻、功耗低，在军民两用领域都有不可估量的前景，而对非制冷红外焦平面的温度控制是红外成像领域中的关键技术之一。非制冷红外焦平面技术分微测辐射热计和热释电技术两种。基于微测辐射热计原理的非制冷红外焦平面是利用红外辐射引起热敏像元温度上升，导致自身阻值变化，改变读出电压值，从而探测目标温度特性。因此，热敏像元的性能将直接影响非制冷红外焦平面的探测灵敏度，只有尽量使非制冷红外焦平面阵列所有像元温度保持在均匀、恒定的温度下，才能从根本上提高非制冷红外焦平面的探测灵敏度，抑制由此引起的工作点漂移，所以设计一个高精度的温度控制系统，是高性能非制冷红外焦平面系统的重要环节。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于非制冷红外焦平面温度控制电路，驱动法国ULIS03191-019型384×288分辨率长波(8～12μm)非制冷红外探测器，该探测器内置热电制冷器(TEC)，稳定非制冷红外焦平面温度，减小某型连续变焦非制冷红外热像仪非均匀校正难度，从根本上提高非制冷红外热像仪系统的成像质量。

技术方案

一种用于非制冷红外焦平面温度控制电路，其特征在于包括信号滤波调理单元、PID补偿网络参数配置单元、MAX1978主控制器单元、频率相位控制单元和TEC驱动单元；所述滤波调理单元的输入与非制冷红外焦平面温度信号VTEMP输出端连接，输出端连接MAX1978主控制器的第18引脚；所述频率相位控制单元输出端连接MAX1978主控制器的第36引脚，设置主控制器PWM控制电路的开关频率；所述TEC限压限流控制单元的输出连接MAX1978主控制器的第41引脚，设置主控制器单元的最大输出电压电流；所述PID补偿网络参数配置单元包括C1电容、C2电容、C3电容、R1电阻、R2电阻、R3电阻；主控制器第17引脚输入到R1和C1公共端，C1电容串联R1电阻后与R2电阻并联连接主控制器的第15引脚，R3电阻串联C2电容后与C3电容并联后连接输出至主控制器14引脚，控制信号经PID运算后控制信号被送入主控制器单元的PWM控制电路；所述MAX1978主控制器的场效应管FET驱动电路输出端，第1引脚和第48引脚连接非制冷红外焦平面的TEC，对焦平面工作温度进行稳定控制，达到闭环控制。

所述MAX1978开关频率选定500KHz，第41引脚V_MAXV≤0.875V。

所述TEC输出电感电容值满足TEC两端最大工作电压V_TEC≤3.5V。

所述C2＝10μF，R3＝100KΩ，C1＝0.47μF，R2＝1MΩ，C3＝0.047μF，R1＝20K。

所述信号滤波调理单元包括R9电阻、R6电阻、R17电阻、R18电阻、C26电容、C25电容和运算放大器A；信号输入端通过R9电阻连接运算放大器A的正端，C26电容跨接在运算放大器A的正端与接地端，R6电阻跨接在运算放大器A的负端与输出端，运算放大器A的供电端连接5V电源，同时通过C25电容接地，运算放大器A的输出端通过R17电阻信号输出，同时通过R18电阻接地。

有益效果

本发明提出的一种用于非制冷红外焦平面温度控制电路，对温度传感器输出信号经过滤波调理再经过运算放大器跟随输出，此处电路设计考虑对信号传输路径进行阻抗匹配，尤其是对小信号进行无损传输。本文采用MAX1978作为主控制器，该芯片具有温度控制精度±0.001℃能力，满足使用要求。整个温度控制系统采用闭环控制策略，非制冷红外焦平面的反馈温度信号输入至一阶低通滤波后，再经高精度运算放大器跟随后输入至H桥电路送入MAX1978的内部运算放大器的反相输入端，形成负反馈。本发明中选择高精密电阻电容，构建出稳定控制参数的模拟PID补偿网络是核心，温度监控辅助功能便于对电路工作情况进行分析。经试验验证，非制冷红外焦平面温度控制系统运行有效可靠。

优越性在于：

1温控电路尺寸小，便于机芯集成：该温控电路参数通过电阻电容配置，选择高精度电阻电容，参数一旦确定，电路便可模块化，尺寸可设计为30×30mm，可集成到非制冷成像机芯中。

2闭环控制，PID控制：该电路为闭环控制，通过配置电阻电容参数，PID补偿网络能够使得该温度控制系统得到最优的稳定性，并在保证稳定性的同时使系统在最快的时间内达到要求。

附图说明

图1：TEC工作原理图

其中：1-N型及P型半导体，2-绝缘体(陶瓷片)，3-金属导体，A-吸热，B放热，C冷端(接被控物)，D热端(接散热片)

图2：本发明温度控制电路原理图

图3：PID补偿网络原理图

图4：VTEMP滤波调理原理图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

用于非制冷红外焦平面温度控制电路，由滤波调理单元、PID补偿网络单元、主控制器单元和TEC驱动单元组成，温度控制电路的核心是滤波调理单元和PID补偿网络单元。设计中通过对非制冷红外焦平面温度反馈信号进行调理滤波，选择合适运算放大器及PID控制所需的电阻电容，来获得快速精确的闭环控制系统。

连接关系：滤波调理单元的输入与非制冷红外焦平面温度信号VTEMP输出端连接，输出端连接MAX1978主控制器的第18引脚；频率相位控制单元输出端连接MAX1978主控制器的第36引脚，设置主控制器PWM控制电路的开关频率；TEC限压限流控制单元的输出连接MAX1978主控制器的第41引脚，设置主控制器单元的最大输出电压电流；PID补偿网络参数配置单元包括C1电容、C2电容、C3电容、R1电阻、R2电阻、R3电阻；主控制器第17引脚输入到R1和C1公共端，C1电容串联R1电阻后与R2电阻并联连接主控制器的第15引脚，R3电阻串联C2电容后与C3电容并联后连接输出至主控制器14引脚，控制信号经PID运算后控制信号被送入主控制器单元的PWM控制电路；所述MAX1978主控制器的场效应管FET驱动电路输出端，第1引脚和第48引脚连接非制冷红外焦平面的TEC，对焦平面工作温度进行稳定控制，达到闭环控制。

各单元特征：

(1)非制冷红外焦平面温度信号VTEMP输入到滤波调理单元进行滤波调理，滤波调理单元主要由运算放大器及RC(电阻电容)网络构成，这样设计的目的是增加输入信号驱动能力，并进行低通滤波，抑制高频噪声，处理后信号送入主控制器单元MAX1978芯片的第18引脚；

(2)PID补偿网络连接至主控制器单元MAX1978芯片的第14、15和第17引脚，控制信号经PID运算后被送入主控制器单元的PWM控制电路，其中PID补偿网络选择高精度电阻电容是关键；

(3)TEC限压限流控制单元主要是运用电阻网络设置主控制器单元的最大输出电压电流，TEC限压限流控制单元和主控制器单元的第41引脚连接；频率相位控制单元设置主控制器PWM控制电路的开关频率，连接至主控制器第36引脚，设置该引脚为高电平即可；

(4)主控制器根据TEC限压限流控制单元及频率相位控制单元解算TEC驱动电流，最后经主控制器的场效应管FET驱动电路输出给TEC，对焦平面工作温度进行稳定控制，达到闭环控制。

(5)本文设定温度根据探测器ULIS03191-019型384×288分辨率长波(8～12μm)非制冷红外探测器手册选择，为了方便调试，本发明中设计了辅助温度监控单元。

具体实施例：

1、工作过程设计

本发明采用法国ULIS03191-019型384×288分辨率长波(8～12μm)非制冷红外探测器，探测器芯片内部集成TEC，其对外接口为TEC+、TEC-，探测器内部还集成温度传感器，可输出和温度成负相关的电压信号。

根据手册数据，探测器焦平面要求工作温度为30℃，此时温度反馈信号为1.75V。因此设定温度电压为1.75V，当温度反馈信号高于1.75V时，说明此时焦平面温度低于30℃，需要对焦平面进行加热，TEC电流方向为TEC-流向TEC+，直到温度反馈电压逼近1.75V。当温度反馈信号低于1.75V时，说明此时焦平面温度高于30℃，需要对焦平面进行制冷，TEC电流方向为TEC+流向TEC-，直到温度反馈电压逼近1.75V。

2、非制冷温度控制电路设计

1)滤波调理单元

从ULIS03191-019器件手册中查得该型探测器温度反馈信号负载必须为电阻R≥100Ω和电容C≤10pF并联，因此本发明中对探测器输出温度反馈信号VTEMP按照以上要求输入至一阶低通滤波(RC网络)再经运算放大器跟随输出，这样可以满足手册要求，并且有助于信号无损传输，同时增强了VTEMP驱动负载能力。

2)温度点设定

MAX1978的引脚18(FB-)和引脚19(FB+)分别连接到斩波自稳零仪表放大器的反相和同相输入端。FB-为目标温度电压的连接端，设定的温度电压则连接至FB+。由于MAX1978芯片内部精准电压源为1.5V±10％，若直接对温度反馈电压(1.75V)进行控制，将超出内部精准电压源最大电压，因此本发明中在滤波调理单元对温度反馈电压信号进行分压，此处选择高精度电阻，分压后电压可在内部精准电压源有效范围内，便于调节控制。另外本发明中使用MAX1978芯片内同一精准电压源，所以不会影响系统的性能和精度。

3)电路设计过程

首先设定MAX1978开关频率为500KHz，此开关频率下该器件效率高。根据此开关频率选择TEC输出电感电容值，根据工程应用经验，选择本文选择L＝3.0μH，C＝1.0μF。电源输入引脚配置一个10μF陶瓷电容，尽量靠近电源引脚放置。本发明采用电阻分压原理，设定TEC两端最大工作电压。V_TEC＝4×V_MAXV,从ULIS03191-019器件手册中查得V_TEC≤3.5V,因此本发明中通过对MAX1978内部精准电压源进行设定该芯片41引脚V_MAXV≤0.875V。

4)PID补偿网络设定

严格来讲，大多数TEC数学模型都可认为是二极点系统，相位180°的第二个极点会对系统产生振荡。而PID控制器可以增加二个零点，这可以抵消TEC数学模型的极点。使用PID控制器后，还可以增加相位裕度，改善系统稳定性。如图3所示，R3和C2可以增加运放增益，薄膜电容泄露小但体积大，陶瓷电容体积小，泄露小，钽电容泄露大。陶瓷电容最合适，本发明选择陶瓷电容。通过积分电容C2和R3可配置零点，本发明中设置C2＝10μF，设定f_Z1＝0.16Hz，计算R3＝99.47Ω，本发明选择R3＝100KΩ。按照此方法，计算C1＝0.47μF，R2＝1MΩ，C3＝0.047μF，选择R1＝20K。

PID(Proportional-Integral-Derivative)算法是有差控制算法，目标温度电压将会无限逼近设定温度电压，最后会在设定温度电压附近小幅振荡。PID补偿网络是TEC温度控制的关键部分，是影响TEC控制器响应速度和温度稳定性的一个重要因素。为了达到快速响应，补偿网络必须具备精确匹配负载的特性，因此电阻电容均选择高精度的器件，使得整个温度控制可靠高效。