本發明屬于溫度控制技術領域，涉及一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路，

背景技術：

近年來，紅外成像技術飛速發展，已從最初的軍事應用領域延伸到工業以及民用領域。制冷型成像設備價格昂貴、體積大、功耗高等因素使得其較多應用于軍隊。非制冷型成像設備價格低、體積小、重量輕、功耗低，在軍民兩用領域都有不可估量的前景，而對非制冷紅外焦平面的溫度控制是紅外成像領域中的關鍵技術之一。非制冷紅外焦平面技術分微測輻射熱計和熱釋電技術兩種。基于微測輻射熱計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，導致自身阻值變化，改變讀出電壓值，從而探測目標溫度特性。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靈敏度，抑制由此引起的工作點漂移，所以設計一個高精度的溫度控制系統，是高性能非制冷紅外焦平面系統的重要環節。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路，驅動法國ULIS03191-019型384×288分辨率長波(8～12μm)非制冷紅外探測器，該探測器內置熱電制冷器(TEC)，穩定非制冷紅外焦平面溫度，減小某型連續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的成像質量。

技術方案

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濾波調理單元、PID補償網絡參數配置單元、MAX1978主控制器單元、頻率相位控制單元和TEC驅動單元；所述濾波調理單元的輸入與非制冷紅外焦平面溫度信號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，設置主控制器PWM控制電路的開關頻率；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，設置主控制器單元的最大輸出電壓電流；所述PID補償網絡參數配置單元包括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R1電阻后與R2電阻并聯連接主控制器的第15引腳，R3電阻串聯C2電容后與C3電容并聯后連接輸出至主控制器14引腳，控制信號經PID運算后控制信號被送入主控制器單元的PWM控制電路；所述MAX1978主控制器的場效應管FET驅動電路輸出端，第1引腳和第48引腳連接非制冷紅外焦平面的TEC，對焦平面工作溫度進行穩定控制，達到閉環控制。

所述MAX1978開關頻率選定500KHz，第41引腳V_MAXV≤0.875V。

所述TEC輸出電感電容值滿足TEC兩端最大工作電壓V_TEC≤3.5V。

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

所述信號濾波調理單元包括R9電阻、R6電阻、R17電阻、R18電阻、C26電容、C25電容和運算放大器A；信號輸入端通過R9電阻連接運算放大器A的正端，C26電容跨接在運算放大器A的正端與接地端，R6電阻跨接在運算放大器A的負端與輸出端，運算放大器A的供電端連接5V電源，同時通過C25電容接地，運算放大器A的輸出端通過R17電阻信號輸出，同時通過R18電阻接地。

有益效果

本發明提出的一種用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路，對溫度傳感器輸出信號經過濾波調理再經過運算放大器跟隨輸出，此處電路設計考慮對信號傳輸路徑進行阻抗匹配，尤其是對小信號進行無損傳輸。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。整個溫度控制系統采用閉環控制策略，非制冷紅外焦平面的反饋溫度信號輸入至一階低通濾波后，再經高精度運算放大器跟隨后輸入至H橋電路送入MAX1978的內部運算放大器的反相輸入端，形成負反饋。本發明中選擇高精密電阻電容，構建出穩定控制參數的模擬PID補償網絡是核心，溫度監控輔助功能便于對電路工作情況進行分析。經試驗驗證，非制冷紅外焦平面溫度控制系統運行有效可靠。

優越性在于：

1溫控電路尺寸小，便于機芯集成：該溫控電路參數通過電阻電容配置，選擇高精度電阻電容，參數一旦確定，電路便可模塊化，尺寸可設計為30×30mm，可集成到非制冷成像機芯中。

2閉環控制，PID控制：該電路為閉環控制，通過配置電阻電容參數，PID補償網絡能夠使得該溫度控制系統得到最優的穩定性，并在保證穩定性的同時使系統在最快的時間內達到要求。

附圖說明

圖1：TEC工作原理圖

其中：1-N型及P型半導體，2-絕緣體(陶瓷片)，3-金屬導體，A-吸熱，B放熱，C冷端(接被控物)，D熱端(接散熱片)

圖2：本發明溫度控制電路原理圖

圖3：PID補償網絡原理圖

圖4：VTEMP濾波調理原理圖

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

用于非制冷紅外焦平面溫度控制電路，由濾波調理單元、PID補償網絡單元、主控制器單元和TEC驅動單元組成，溫度控制電路的核心是濾波調理單元和PID補償網絡單元。設計中通過對非制冷紅外焦平面溫度反饋信號進行調理濾波，選擇合適運算放大器及PID控制所需的電阻電容，來獲得快速精確的閉環控制系統。

連接關系：濾波調理單元的輸入與非制冷紅外焦平面溫度信號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，設置主控制器PWM控制電路的開關頻率；TEC限壓限流控制單元的輸出連接MAX1978主控制器的第41引腳，設置主控制器單元的最大輸出電壓電流；PID補償網絡參數配置單元包括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R1電阻后與R2電阻并聯連接主控制器的第15引腳，R3電阻串聯C2電容后與C3電容并聯后連接輸出至主控制器14引腳，控制信號經PID運算后控制信號被送入主控制器單元的PWM控制電路；所述MAX1978主控制器的場效應管FET驅動電路輸出端，第1引腳和第48引腳連接非制冷紅外焦平面的TEC，對焦平面工作溫度進行穩定控制，達到閉環控制。

各單元特征：

(1)非制冷紅外焦平面溫度信號VTEMP輸入到濾波調理單元進行濾波調理，濾波調理單元主要由運算放大器及RC(電阻電容)網絡構成，這樣設計的目的是增加輸入信號驅動能力，并進行低通濾波，抑制高頻噪聲，處理后信號送入主控制器單元MAX1978芯片的第18引腳；

(2)PID補償網絡連接至主控制器單元MAX1978芯片的第14、15和第17引腳，控制信號經PID運算后被送入主控制器單元的PWM控制電路，其中PID補償網絡選擇高精度電阻電容是關鍵；

(3)TEC限壓限流控制單元主要是運用電阻網絡設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置主控制器PWM控制電路的開關頻率，連接至主控制器第36引腳，設置該引腳為高電平即可；

(4)主控制器根據TEC限壓限流控制單元及頻率相位控制單元解算TEC驅動電流，最后經主控制器的場效應管FET驅動電路輸出給TEC，對焦平面工作溫度進行穩定控制，達到閉環控制。

(5)本文設定溫度根據探測器ULIS03191-019型384×288分辨率長波(8～12μm)非制冷紅外探測器手冊選擇，為了方便調試，本發明中設計了輔助溫度監控單元。

具體實施例：

1、工作過程設計

本發明采用法國ULIS03191-019型384×288分辨率長波(8～12μm)非制冷紅外探測器，探測器芯片內部集成TEC，其對外接口為TEC+、TEC-，探測器內部還集成溫度傳感器，可輸出和溫度成負相關的電壓信號。

根據手冊數據，探測器焦平面要求工作溫度為30℃，此時溫度反饋信號為1.75V。因此設定溫度電壓為1.75V，當溫度反饋信號高于1.75V時，說明此時焦平面溫度低于30℃，需要對焦平面進行加熱，TEC電流方向為TEC-流向TEC+，直到溫度反饋電壓逼近1.75V。當溫度反饋信號低于1.75V時，說明此時焦平面溫度高于30℃，需要對焦平面進行制冷，TEC電流方向為TEC+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計

1)濾波調理單元

從ULIS03191-019器件手冊中查得該型探測器溫度反饋信號負載必須為電阻R≥100Ω和電容C≤10pF并聯，因此本發明中對探測器輸出溫度反饋信號VTEMP按照以上要求輸入至一階低通濾波(RC網絡)再經運算放大器跟隨輸出，這樣可以滿足手冊要求，并且有助于信號無損傳輸，同時增強了VTEMP驅動負載能力。

2)溫度點設定

MAX1978的引腳18(FB-)和引腳19(FB+)分別連接到斬波自穩零儀表放大器的反相和同相輸入端。FB-為目標溫度電壓的連接端，設定的溫度電壓則連接至FB+。由于MAX1978芯片內部精準電壓源為1.5V±10％，若直接對溫度反饋電壓(1.75V)進行控制，將超出內部精準電壓源最大電壓，因此本發明中在濾波調理單元對溫度反饋電壓信號進行分壓，此處選擇高精度電阻，分壓后電壓可在內部精準電壓源有效范圍內，便于調節控制。另外本發明中使用MAX1978芯片內同一精準電壓源，所以不會影響系統的性能和精度。

3)電路設計過程

首先設定MAX1978開關頻率為500KHz，此開關頻率下該器件效率高。根據此開關頻率選擇TEC輸出電感電容值，根據工程應用經驗，選擇本文選擇L＝3.0μH，C＝1.0μF。電源輸入引腳配置一個10μF陶瓷電容，盡量靠近電源引腳放置。本發明采用電阻分壓原理，設定TEC兩端最大工作電壓。V_TEC＝4×V_MAXV,從ULIS03191-019器件手冊中查得V_TEC≤3.5V,因此本發明中通過對MAX1978內部精準電壓源進行設定該芯片41引腳V_MAXV≤0.875V。

4)PID補償網絡設定

嚴格來講，大多數TEC數學模型都可認為是二極點系統，相位180°的第二個極點會對系統產生振蕩。而PID控制器可以增加二個零點，這可以抵消TEC數學模型的極點。使用PID控制器后，還可以增加相位裕度，改善系統穩定性。如圖3所示，R3和C2可以增加運放增益，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，本發明選擇陶瓷電容。通過積分電容C2和R3可配置零點，本發明中設置C2＝10μF，設定f_Z1＝0.16Hz，計算R3＝99.47Ω，本發明選擇R3＝100KΩ。按照此方法，計算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，目標溫度電壓將會無限逼近設定溫度電壓，最后會在設定溫度電壓附近小幅振蕩。PID補償網絡是TEC溫度控制的關鍵部分，是影響TEC控制器響應速度和溫度穩定性的一個重要因素。為了達到快速響應，補償網絡必須具備精確匹配負載的特性，因此電阻電容均選擇高精度的器件，使得整個溫度控制可靠高效。