任其干,譚欽紅

(重慶郵電大學(xué)信號(hào)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

在非制冷紅外焦平面熱像儀的設(shè)計(jì)中,紅外非制冷微測輻射熱計(jì)焦平面陣列探測器是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。對(duì)于非制冷微測輻射熱計(jì),雖不像低溫制冷型微測輻射熱計(jì)那樣需要在較低溫度下才能正常工作,但由于其測溫原理是通過入射紅外輻射使熱敏元溫度上升引起自身阻值變化從而測量目標(biāo)物體溫度。因此,熱敏元的溫度將直接影響熱像儀的探測靈敏度和成像性能,只有盡量使非制冷焦平面陣列所有像元溫度保持在某個(gè)相同的恒定室溫下,才能從根本上提高熱像儀的探測靈敏度,抑制由此引起的工作波動(dòng),所以,設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高性能非制冷紅外焦平面熱像儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1～5]。本文提出的是一種由 CPLD控制高精度 DAC芯片 AD7390來設(shè)置單芯片熱電制冷器控制器 ADN8830溫度設(shè)定點(diǎn)電壓的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 UL 03 19 l溫度控制的技術(shù)參數(shù)

UL 03 19 l是法國 ULIS公司生產(chǎn)的 384×288長波紅外非制冷微測輻射熱計(jì),其穩(wěn)定工作的環(huán)境溫度為 -40℃～60℃[6]。為使由微測輻射熱計(jì)構(gòu)成的非制冷紅外焦平面陣列(UFPA)探測器的所有像元都保持在某個(gè)相同的恒定室溫下工作(如 30±2℃),UL 03 19 l內(nèi)部集成了一個(gè)溫度控制系統(tǒng),該溫度控制系統(tǒng)由一個(gè)熱電制冷器(TEC)、一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器和一個(gè)散熱槽構(gòu)成。其工作過程為：溫度傳感器讀出非制冷焦平面陣列(UFPA)的溫度并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)通過 VTEMP引腳輸出,此電壓反饋到外部溫度控制電路,經(jīng)過外部 TEC控制電路處理后產(chǎn)生控制 TEC的電流,該電流使TEC制冷或制熱即可精確穩(wěn)定 UFPA的溫度。VTEMP輸出電壓與 UFPA溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用方程(1)表示：

其中,-0.00645是溫度傳感器的負(fù)溫度系數(shù),單位為 V/K;UVTEMP是 VTEMP輸出電壓,單位為 V,TUFPA是 UFPA溫度,單位為 K。

1.2 溫控方案設(shè)計(jì)

要使溫控系統(tǒng)精確工作,就必須精確控制其重要部件——熱電制冷器(TEC)?？刂?TEC的電路方案主要有兩種：采用單片機(jī)或單芯片 TEC控制器。單片機(jī)方案需要 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器及單片機(jī),存在集成度低、要求軟硬件相結(jié)合、調(diào)試相對(duì)困難等缺點(diǎn),而單芯片 TEC控制器易于設(shè)計(jì)制造,集成度高,效率高[2]。因此,優(yōu)先選用單芯片 TEC控制器方案。

ADN8830是模擬器件公司(ADI)于 2002推出的全新單芯片 TEC控制器。其功能塊圖如圖 1所示,基本結(jié)構(gòu)模塊由三部分組成：溫度測量放大器、比例積分微分(PID)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輸出功率(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器[7]。

圖1 單芯片TEC控制器 ADN 8830功能塊圖

基于 ADN8830基本功能,作者設(shè)計(jì)出由 CPLD、高精度 DAC芯片 AD7390、ADN8830和 UL 03 19 l內(nèi)部集成的溫控模塊構(gòu)成的焦平面陣列溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。焦平面陣列探測器內(nèi)部集成的溫控部分前面已論述;CPLD用來配置高精度 DAC芯片 AD7390完成 ADN8830的 TEMPSET引腳的電壓點(diǎn)的精確設(shè)置,所設(shè)置的電壓與所期望設(shè)置的探測器溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系由§1.1中的式(1)決定。

圖2 溫度控制系統(tǒng)框圖

整個(gè)溫控系統(tǒng)工作過程為：首先,探測器內(nèi)部溫度傳感器讀出 UFPA的溫度,將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)通過 VTEMP引腳輸出,送到 ADN8830的 THERM IN引腳上,然后,將其與所設(shè)定的 ADN8830的THERM SET引腳電壓通過一個(gè)溫度測量放大器進(jìn)行比較,產(chǎn)生一個(gè)與上述兩個(gè)電壓差值成比例的誤差電壓。誤差放大器的輸出被輸入到補(bǔ)償放大器,補(bǔ)償放大器的外圍網(wǎng)絡(luò)包括電阻 R5、R6、R7和電容C9、C10、C11,它們構(gòu)成 PID網(wǎng)絡(luò) (見圖 3),此誤差信號(hào)經(jīng)過補(bǔ)償放大器進(jìn)行積分放大后送到脈寬調(diào)制線性放大器進(jìn)一步放大,然后輸出兩組信號(hào)給輸出功率驅(qū)動(dòng)器,即 MOSFET驅(qū)動(dòng)器,它驅(qū)動(dòng)用來給 TEC提供電流的外部 MOS管,這些 MOS管是由 ADI公司配套提供的 FDW 2520C芯片組成,每片F(xiàn)DW 2520C芯片集成了一個(gè) N溝道和一個(gè) P溝道的 MOSFET開關(guān)管,見圖 4和圖 5。 ADN8830采用一半開關(guān)輸出,一半線性輸出的方式,這種包含線性和開關(guān)級(jí)輸出方式的專利技術(shù)可以減少一半的輸出電流紋波,也可以減少一些外圍器件,同時(shí)還可以提高效率[8～11]。

圖3 PID網(wǎng)絡(luò)電路圖

從圖中也可以看出,ADN8830用來控制 TEC的輸出電壓由 OUT A和 OUT B引腳給出,OUT A、OUT B同時(shí)又分別是外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和線性 MOSFET的輸出反饋,用它們來驅(qū)動(dòng) TEC制冷或加熱。

圖4 線性輸出

圖5 PWM驅(qū)動(dòng)開關(guān)輸出

1.3 高精度 DAC芯片 AD7390的配置

由于作者所設(shè)計(jì)的紅外焦平面成像系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及采集電路控制時(shí)序是由 CPLD產(chǎn)生的,該 CPLD采用 Xilinx Cool Runner-IICPLD系列中的 XC2C128芯片,此芯片也可用來配置 AD7390寄存器。AD7390的寄存器配置時(shí)序如圖 6所示。

圖6 AD7390的寄存器配置時(shí)序[12]

圖中,SDI為串行數(shù)據(jù)輸入,CLK為 AD7390寄存器數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘信號(hào),LD為讀使能信號(hào)。當(dāng) LD為高時(shí),SDI的數(shù)據(jù)在每個(gè) CLK時(shí)鐘的上升沿送入一位數(shù)據(jù)到移位寄存器。當(dāng) LD為低,把移位寄存器里的數(shù)據(jù)送入到 AD7390寄存器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換[12]。設(shè)計(jì)中 AD7390C芯片的外部基準(zhǔn)電壓 VREF使用溫控芯片 ADN8830提供的 2.5 V參考電壓,AD7390芯片的輸出電壓 VOUT與外部參考電壓 VREF的關(guān)系可由方程(2)式表示：

SDI的計(jì)算方法：首先把要設(shè)置的焦平面陣列的溫度 TUFPA代入(1)式算得探測器反饋電壓 UVTEMP,此電壓也就是 AD7390要設(shè)置的輸出電壓 VOUT,然后把它和 ADN8830提供的參考電壓VREF代入(2)式算出 SDI的值。例如,設(shè)置焦平面陣列的溫度為30℃,代入(1)式得 UVTEMP=1.752 V,再通過(2)式得 SDI。由于 CPLD配置程序只能配置二進(jìn)制整數(shù)值,故需對(duì)所得 SDI先取整然后化成二進(jìn)制,這里算得結(jié)果為‘101 100 110 110'。獲得 SDI值后,即可使用 VHDL語言設(shè)計(jì)配置程序。下圖 7是設(shè)置值為30℃時(shí)的程序在 Modelsim6.0中仿真波形。

圖7 AD 7390寄存器配置程序仿真波形圖

1.4 電路測試及結(jié)果分析

對(duì)非制冷微測輻射熱計(jì)探測器,在低溫環(huán)境下選擇較低的工作溫度點(diǎn),在高溫環(huán)境下選擇較高的工作溫度點(diǎn),可以顯著擴(kuò)展探測器的環(huán)境溫度適用范圍;尤其可以很好地提高探測器的低溫響應(yīng)性能,抑制探測器低溫環(huán)境下的功耗增加,改善探測器的低溫成像質(zhì)量[13]。所以采用多個(gè)工作溫度點(diǎn)來設(shè)計(jì)配置電路,下面就是對(duì)采用了此方案制作的電路的測試和分析。

由于探測器工作環(huán)境溫度是 -40℃～60℃,這里選擇 40℃、30℃、20℃、0℃四個(gè)溫度作為焦平面工作溫度設(shè)置值。采用一個(gè)兩位的撥碼開關(guān)作為 CPLD的輸入來實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)置值的選擇,兩位的撥碼開關(guān)共有四個(gè)狀態(tài)輸入,對(duì)應(yīng)設(shè)置四個(gè)溫度點(diǎn)：00對(duì)應(yīng) 0℃,01對(duì)應(yīng) 20℃,10對(duì)應(yīng) 30℃,11對(duì)應(yīng)40℃。根據(jù)上面計(jì)算 SDI的方法算出每個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的 SDI值。使用 Xilinx ISE進(jìn)行配置程序編寫,把編寫和仿真正確的程序綜合、實(shí)現(xiàn),然后通過JATAG接口下載到 CPLD中。編程成功后,測試VOUT引腳的電壓,再把該電壓代入(1)式算出所設(shè)置的實(shí)際溫度值。表 1是電路所測試和計(jì)算出的結(jié)果,分析測試結(jié)果可以看出實(shí)際配置溫度與欲設(shè)置的溫度存在一定的誤差,它是由于計(jì)算 SDI時(shí)取整引入的,但測試數(shù)據(jù)顯示設(shè)置溫度誤差在 ±0.08℃范圍內(nèi),滿足系統(tǒng) ±2℃的要求。

表1 電路測試和計(jì)算結(jié)果

最后,通過以下方法檢查系統(tǒng)工作情況,(1)監(jiān)測 ADN8830的 1腳輸出高電平表示電路工作異常;5腳輸出高電平表示探測器溫度已達(dá)設(shè)定溫度。(2)監(jiān)測 ADN8830的 12腳 TEMPCTL與 5腳 TEMPLOCK之間的電壓差,如果系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),兩腳之間的電壓差在 ±100 mV以內(nèi)即可確定目標(biāo)物體的溫度達(dá)到了設(shè)定點(diǎn)溫度的 ±0.01℃范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

(1)與單片機(jī)方案相比,系統(tǒng)使用較少的元器件,而且 ADN8830本身集成度很高,且體積很小,采用 5 mm×5 mm LFCSP封裝,因此,使 PCB板面積大大減小,系統(tǒng)功耗降低,效率和可靠性提高。

(2)使用可編程邏輯器件作為 AD7390的初始化配置控制器,具有電路設(shè)計(jì)簡單,程序編寫調(diào)試方便、配置靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

(3)ADN8830采用外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),只有幾個(gè)電阻和電容,調(diào)整簡單方便。

(4)在環(huán)境溫度變化范圍較大的情況下,非制冷微測輻射熱計(jì)探測器采用多個(gè)工作溫度點(diǎn),可較好的改善探測器工作性能和成像質(zhì)量,降低探測器功耗。

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