本发明属于激光检测领域，特别涉及一种dfb激光器温控电路。
背景技术：
近年来，随着半导体材料及工艺的进步，分布反馈(distributedfeedback,dfb)半导体激光器性能得到大幅度提升，其线宽愈来愈窄，从而增强了对待测气体的选择性.借助于可调谐激光二极管光谱吸收法(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,tdlas)，通过改变激光器中心工作波长，可有效扫过待测气体吸收峰，基于dfb激光器的tdlas方法成为测量水汽、甲烷、氨气、一氧化碳等气体的常见方法。测量过程中dfb激光器的中心波长应保持不变，如果dfb激光器中心波长随温度发生了漂移，则会影响应变测量精度，因此为了保证测量系统的稳定性和可靠性，确保dfb激光器的工作温度从而稳定中心波长至关重要。现有技术中，研究了多种温度控制系统或仪器保证dfb激光器的工作温度，其中数字式温控系统虽然硬件结构简单，但一般需采用复杂的数学算法来达到较高准确度。当系统工作负荷较大时，尤其是工作于对实时性要求严格的场合时，复杂算法的运算时间严重的制约了系统性能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种dfb激光器温控电路，简化电路和节省运算时间，并且能实时对dfb激光器的工作温度实现精准控制。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种dfb激光器温控电路，包括与恒流源电路连接的电阻转换电压电路，电阻转换电压电路采集设定温度电阻hr1、与dfb控制器连接的热敏电阻ntc的电压值，分别记为设定温度电压vset、测量温度电压vntc输入至温度测量求差电路；温度测量求差电路，求出设定温度电压vset与测量温度电压vntc之间的差值电压vdec输入至pi参数调节电路；pi参数调节电路，对差值电压vdec进行比例放大、积分运算，消除系统误差，随后输出调节电压vctr；mosfet驱动控制电路，接收调节电压vctr进行转换输出控制电流i至半导体制冷/制热模块tec；半导体制冷/制热模块tec对dfb激光器实施制冷或制热。
上述技术方案中，利用热敏电阻ntc反映dfb控制器的实际温度变化，调节设定温度电阻hr1的阻值与预期设定温度相对应，恒流源电路提供恒电流分别接入热敏电阻ntc、设定温度电阻hr1，通过电阻转换电压电路采集到设定温度电压vset、测量温度电压vntc，求出差值电压vdec反映预期设定温度与实际温度的差距，之后通过pi参数调节电路消除系统误差得到调节电压vctr，最终经过mosfet驱动控制电路转换得到控制电流i，从而调节半导体制冷/制热模块tec对dfb激光器实施制冷或制热，使得dfb激光器的工作温度达到预期设定温度，将pi调节通过电路实现，节省了大量的运算时间，提高了系统的运行效率，并且为纯硬件的模拟电路组成，控制精度高。
说明书附图
图1为本发明电路原理框图；
图2为恒流源电路与电阻转换电压电路连接图；
图3为温度测量求差电路；
图4为pi参数调节电路；
图5为mosfet驱动控制电路。
具体实施方式
结合附图1～5对本发明做出进一步的说明：
一种dfb激光器温控电路，包括与恒流源电路连接的电阻转换电压电路，电阻转换电压电路采集设定温度电阻hr1、与dfb控制器连接的热敏电阻ntc的电压值，分别记为设定温度电压vset、测量温度电压vntc输入至温度测量求差电路；温度测量求差电路，求出设定温度电压vset与测量温度电压vntc之间的差值电压vdec输入至pi参数调节电路；pi参数调节电路，对差值电压vdec进行比例放大、积分运算，消除系统误差，随后输出调节电压vctr；mosfet驱动控制电路，接收调节电压vctr进行转换输出控制电流i至半导体制冷/制热模块tec；半导体制冷/制热模块tec对dfb激光器实施制冷或制热。
利用热敏电阻ntc反映dfb控制器的实际温度变化，调节设定温度电阻hr1的阻值与预期设定温度相对应，恒流源电路提供恒电流分别接入热敏电阻ntc、设定温度电阻hr1，通过电阻转换电压电路采集到设定温度电压vset、测量温度电压vntc，求出差值电压vdec反映预期设定温度与实际温度的差距，之后通过pi参数调节电路消除系统误差得到调节电压vctr，最终经过mosfet驱动控制电路转换得到控制电流i，从而调节半导体制冷/制热模块tec对dfb激光器实施制冷或制热，使得dfb激光器的工作温度达到预期设定温度，将pi调节通过电路实现，节省了大量的运算时间，提高了系统的运行效率，并且为纯硬件的模拟电路组成，控制精度高。
所述的恒流源电路包括相互并联的电容c28、电解电容ep3、基准电压源d100，+12v电压源依次与电阻r49、精密电阻lr11、电阻r46、可调电阻hr2、电阻r41、地线gnd连接，基准电压源d100的两端分别与精密电阻lr11的输入端、可调电阻hr2的输出端连接；精密电阻lr11的输入端与精密电阻lr10连接，精密电阻lr10的输出端分别接入mosfet管q6、运算放大器u5-2的负极，同时精密电阻lr10的输出端依次通过电容c21、电阻r44接入mosfet管q6，mosfet管q6的输出端与电阻r43连接，精密电阻lr11的输出端接入运算放大器u5-2的正极；精密电阻lr11的输入端与精密电阻lr12连接，精密电阻lr12的输出端分别接入mosfet管q5、运算放大器u5-1的负极，同时精密电阻lr12的输出端依次通过电容c19、电阻r47接入mosfet管q5，mosfet管q5的输出端与电阻r45连接，精密电阻lr11的输出端接入运算放大器u5-1的正极；+12v电压源依次与电容c18、地线gnd连接，电容c18的输入端与运算放大器u5-1连接，-12v电压源依次与电容c20、地线gnd连接，电容c20的输入端与运算放大器u5-1连接。
恒流源电路中，选取基准电压源d100作为恒流源供电电源，选取的带隙基准电压源d100具有1.2v温度补偿电压参考，使用带隙原理来实现良好的稳定性和低反向电流噪声，具有出色的稳定性且无振荡，最大温漂为10ppm/℃；低偏置电流：50μa；低动态阻抗；低反向电压；低成本。使用基准电压源d100结合运算放大器u5-1、u5-2特性来控制mosfet管q5、q6输出恒流100ua。
其中电阻lr10、lr11、lr12采用精度最高的金属膜电阻军工精密电阻1/8wrn55d精度为1％，以保证lr11两端电压差精度进而保证mosfet管q6、q5各特性曲线工作点选取精度，从而保证流过设定温度电阻hr1和热敏电阻ntc的电流精度。
所述的电阻转换电压电路包括设定温度电阻hr1、热敏电阻ntc，设定温度电阻hr1的一端与地线gnd连接，设定温度电阻hr1的另一端与电阻r43的输出端连接，同时接入运算放大器u8-1的正极，-12v电压源依次与电容c27、地线gnd连接，电容c27的输入端与运算放大器u8-1连接，运算放大器u8-1的负极输出设定温度电压vset；热敏电阻ntc的一端与地线gnd连接，热敏电阻ntc的另一端与电阻r45的输出端连接，同时接入运算放大器u8-2的正极，+12v电压源依次与电容c23、地线gnd连接，电容c23的输入端与运算放大器u8-2连接，运算放大器u8-2的负极输出测量温度电压vntc。
两路100ua电流分别流过设定温度电阻hr1及热敏电阻ntc后，经运算放大器u8-1、u8-2分别输出设定温度电压vset和测量温度电压vntc至温度测量求差电路。
所述的温度测量求差电路包括精密电阻lr9、lr7，设定温度电压vset、测量温度电压vntc分别输入至精密电阻lr9、lr7，精密电阻lr9的输出端同时接入精密电阻lr6、运算放大器u14-b的负极，精密电阻lr7的输出端同时接入精密电阻lr8、运算放大器u14-b的正极，精密电阻lr8的输出端与地线gnd连接，精密电阻lr6的输出端与运算放大器u14-b的输出端连接输出差值电压vdec。
为了保证设定温度电压vset、测量温度电压vntc差值的精确度，故在温度测量求差电路中依然选择了高精度的军工精密金属膜电阻1/8wrn55d精度为1％。采用运算放大器u14-b的共模抑制比cmrr在115db以上，在军事温度范围内其偏移电压漂移通常为0.4μv/℃，结合热敏电阻ntc、设定温度电阻hr1的阻值大小，可计算出差值电压vdec输出范围0～5v，对应的温度范围为0～50℃。
所述的pi参数调节电路包括比例放大调节电路、积分调节电路、加法电路及中间电路；
所述的积分调节电路包括接入差值电压vdec的电阻r16，电阻r16的输出端分别接入运算放大器u14-a的负极、电容cred，运算放大器u14-a的正极与地线gnd连接，-12v电压源依次与电容c12、地线gnd连接，电容c12的输入端与运算放大器u14-a连接，+12v电压源依次与电容c14、地线gnd连接，电容c14的输入端与运算放大器u14-a连接，电容cred的输出端与运算放大器u14-a的输出端连接输出积分电压vi；
所述的比例放大调节电路包括接入差值电压vdec的电阻r31，电阻r31的输出端依次与可调电阻hr5、电阻r18连接，电阻r31的输出端还与运算放大器u14-c的负极连接，运算放大器u14-c的正极与地线gnd连接，运算放大器u14-c的输出端与电阻r18连接输出比例放大电压vp；
所述的加法电路包括分别接入积分电压vi、比例放大电压vp的电阻r11、r17，电阻r11、r17的输出端同时接入运算放大器u14-d的负极，运算放大器u14-d的正极与地线gnd连接，电阻r11、r17的输出端连接之后再依次与电阻r15、r14、地线gnd连接，电阻r11、r17的输出端同时与电容c13连接输出比例积分电压vadd；电阻r13的输入端接入比例积分电压vadd，电阻r13的输出端与运算放大器u9-2的负极连接，电阻r13的输出端与运算放大器u9-2的输出端连接有电容c6；
所述的中间电路包括：-12v电压源依次与电阻r34、二极管d13及地线gnd连接，电阻r34的输出端与可调电阻hr4连接之后接入档位开关max_limit的1脚，档位开关max_limit的1脚与3脚之间连接有r35，档位开关max_limit的3脚与5脚之间连接有r36，档位开关max_limit的5脚与7脚之间连接有r37，档位开关max_limit的7脚与9脚之间连接有r38，档位开关max_limit的9脚依次与电阻r39、地线gnd连接，档位开关max_limit的2、4、6、8、10脚输出电压vin至开关q9的1脚再通过3脚经电阻r12输出电压vq接入运算放大器u9-2，档位开关max_limit的2、4、6、8、10脚与电阻r33连接接入运算放大器u9-1的负极，-12v电压源依次与电容c5、地线gnd连接，电容c5的输入端与运算放大器u9-1连接，+12v电压源依次与电容c7、地线gnd连接，电容c7的输入端与运算放大器u9-1连接，运算放大器u9-1的正极与地线gnd连接，电阻r33的输出端与电阻r10连接之后再与运算放大器u9-1的输出端连接输出电压-vin，电压-vin与电阻r9连接之后输出电压vs接入开关q9的2脚，电阻r9的输出端与运算放大器u6-2的正极连接，运算放大器u6-2的输出端与运算放大器u9-2的正极连接，运算放大器u6-2的负极与输出端连接输出调节电压vctr。
由于dfb激光器工作环境温度差异很大，散热条件亦不相同，很难根据dfb激光器工作环境及该环境下激光器的散热情况构建精确的数学模型进行理论分析。当被控对象的精确模型难以得到时，经典控制理论也难以得到定性分析结果，而且本发明涉及温控电路，可看作是一个二阶迟滞系统，对比例和积分参数的要求比较高，而微分参数的整定可以忽略。采用pi参数调节电路对差值电压vdec进行比例放大、积分运算，输出调节量来使误差量降到最低。传统的pi参数调节电路，直接通过加法电路输出电压vadd,本发明中加入了中间电路对电压vadd进行精细调节，而输出精确的调节电压vctr至mosfet驱动控制电路。
对差值电压vdec分别进行比例放大调节p、积分调节i并输出比例放大电压vp、积分电压vi至加法电路中输出比例积分电压vadd，使用放大器黄金法则选择合适阻容参数使得：vadd＝-(vi+10vp)，积分调节电路中阻容参数是根据调试者经验并结合多次现场调试现象固化到线路板中，而比例放大调节电路中的比例调节可根据不同现场来确定，通过调节可调电阻hr5改变vp电压，进而改变比例积分电压vadd输出。
中间电路的功能体现在进一步调节输出上，其中比例积分电压vadd的改变可导致vq发生变化，vq的大小决定了开关q9的关断、开启及其开启程度，进而影响到vs的值，具体的vq的大小决定了开关q9工作在线性区还是饱和区，当工作在线性区时：vctr＝vs，当工作在饱和区时：vctr＝vin，电压vs经跟随器输出调节电压vctr一路输出至mosfet驱动控制电路，一路与比例积分电压vadd一起送入运算放大器用以反馈调节vq值，以保证vq值的稳定性进而保证vctr输出稳定性。调节电压vctr的绝对最大值通过档位开关max_limit接口短接选择，此参数决定了温控电路输出的最大电流的绝对值。
所述的mosfet驱动控制电路包括mosfet驱动电路、mosfet桥电路、电流反馈取样电路；
所述的mosfet驱动电路包括接入调节电压vctr的电阻r8，电阻r8的输出端依次与电阻r4、地线gnd连接，电阻r8的输出端接入运算放大器u6-1的负极，-12v电压源依次与电容c4、地线gnd连接，电容c4的输入端与运算放大器u6-1连接，+12v电压源依次与电容c3、地线gnd连接，电容c3的输入端与运算放大器u6-1连接，电阻r8的输出端与电容c2连接再与运算放大器u6-1的输出端连接输出电压vout，输出电压vout经电阻r2输出至运算放大器u3-1的正极，-12v电压源依次与电容c16、地线gnd连接，电容c16的输入端与运算放大器u3-1连接，运算放大器u3-1的负极与运算放大器u3-1输出端连接输出电压vout+，输出电压vout经电阻r6输出至运算放大器u3-2的负极，+12v电压源依次与电容c1、地线gnd连接，电容c1的输入端与运算放大器u3-2连接，运算放大器u3-2的正极与地线gnd连接，电阻r6的输出端与电阻r5连接再与运算放大器u3-2的输出端连接输出电压vout-；
所述的mosfet桥电路包括分别接入电压vout+、电压vout-的电阻r1、r3，电阻r1的输出端依次与二极管d10、地线gnd连接，电阻r1的输出端接入相互并联的电容c102、mosfet管q10，mosfet管q10与地线gnd连接，电阻r1的输出端接入相互并联的电容c100、mosfet管q8，mosfet管q8接入5v电压源；电阻r3的输出端依次与二极管d11、地线gnd连接，电阻r3的输出端接入相互并联的电容c101、mosfet管q11，mosfet管q11与地线gnd连接，电阻r3的输出端接入相互并联的电容c103、mosfet管q7，mosfet管q7接入5v电压源，电容c103、c102、mosfet管q7的输出端接入半导体制冷/制热模块tec的负极，电容c100、c101、mosfet管q8的输出端接入半导体制冷/制热模块tec的正极，从而输出控制电流i；
所述的电流反馈取样电路包括设置在半导体制冷/制热模块tec正负极之间的线绕电阻pr1，线绕电阻pr1的两端分别通过精密电阻lr3、lr1接入运算放大器u4的2、3脚，+12v电压源依次与电容c15、地线gnd连接，电容c15的输入端与运算放大器u4的7脚连接，-12v电压源依次与电容c17、地线gnd连接，电容c17的输入端与运算放大器u4的4脚连接，精密电阻lr3的输出端与精密电阻lr4连接之后再与运算放大器u4的6脚连接，输出电流反馈取样电压vf至运算放大器u6-1的正极。
由各运算放大器组成的mosfet驱动电路控制功率mosfet桥电路实现半导体制冷/制热模块tec的电流方向及大小的控制，为了保证输出控制电流i的稳定性本发明还加入了电流反馈取样电路。
其中mosfet驱动电路实现如下功能：放大运算器u6-1将电流反馈取样电压vf与pi参数调节电路的调节电压vctr作为其输入的负反馈一级积分电路，使系统的稳态性能得以改善，同时增加了静态增益；运算放大器u3-1、u3-2分别设计成电压跟随器和电压反向器，起到自动开关的作用，用于选通不同的功率mosfet管组合，其中vout+＝vout，vout-＝-vout。
其中mosfet桥电路选用4个n沟道功率mosfet管，其中两两串联组成电流输出回路。当vout为正值时选通mosfet管q8、q10组合形成电流回路，关断mosfet管q7、q11组合，此时电流流向te+→tec+→tec-；当vout为负值时选通mosfet管q7、q11组合形成电流回路，关断mosfet管q8、q10组合，此时电流流向tec-→tec+→te+。
其中电流反馈取样电路提供了闭环系统中的并联反馈回路，它一方面将电压反馈形成了局部的反馈，保证后级调节的稳定性，更为重要的是它改善了温控电路总体传递函数。此电路异于大多数电路中直接将取样电阻的分压值接入到比较器中输出控制后续电路，增加一级放大电路起到电流与电压转换作用和阻抗匹配隔离的效果，使得电路运行更加安全可靠。
本发明中利用半导体制冷/制热模块tec实现对dfb激光器的恒温控制，tec电流正向流动，实现对dfb激光器的加热；tec电流反向流动，实现对dfb激光器的制冷。加热制冷的效果取决于控制电流i的大小及材料的帕耳帖系数。