光电二极管恒温控制方法及装置

摘要

本发明涉及一种光电二极管恒温控制方法及装置，将光电二极管安装在光电二极管夹具中，用温度传感器探测光电二极管温度，通过模数转换器将温度电信号转换为数字信号，数字信号处理器对温度信号进行处理，运用比例积分微分增量算法，控制数模转换器输出，控制脉宽调制功率驱动电路，驱动半导体制冷器对光电二极管模块进行控温，半导体制冷器控温是双向的可加热可制冷，且通过RS232串行接口电路可以设定调整控制温度，并可实时读取温度，整个装置是一个闭环控制系统，能够对光电二极管进行精确的控温，以保证光电二极管工作在恒定的增益，适用于APD光电二极管探测器恒温控制。

权利要求

1.光电二极管恒温控制方法，包括如下步骤：温度传感器探测光电二极管温度，通过模数转换器将温度电信号转换为数字信号，数字信号处理器对温度信号进行处理，其特征在于：运用比例积分微分增量算法，控制数模转换器输出，控制脉宽调制功率驱动电路，驱动半导体制冷器对光电二极管模块进行控温，半导体制冷器控温是双向的能加热制冷，且通过RS232串行接口电路设定调整控制温度，并实时读取温度，整个装置是一个闭环控制系统。

2.光电二极管恒温控制装置，其特征在于：包括光电二极管夹具和温度控制卡两部分，夹具部分和温度控制卡相连接；光电二极管夹具部分包括光电二极管夹具、温度传感器和半导体制冷器；温度控制卡部分包括数字信号处理器、模数转换器、数模转换器、温度信号处理电路、脉宽调制功率驱动电路和RS232串行接口电路；

在光电二极管夹具内部设置温度传感器；在光电二极管夹具底部设置半导体制冷器；

温度传感器连接至温度信号处理电路，温度信号处理电路连接模数转换器，数字信号处理器通过数据总线分别与模数转换器和数模转换器相连，数模转换器连接至脉宽调制功率驱动电路，脉宽调制功率驱动电路与半导体制冷器相连；RS232串行接口电路与数字信号处理器相连。

3.根据权利要求2所述的光电二极管恒温控制装置，其特征在于：还包括基准电压源，其分别与模数转换器、数模转换器、温度信号处理电路和脉宽调制功率驱动电路连接。

说明书

光电二极管恒温控制方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光电二极管恒温控制方法及装置，属于温度控制领域。

背景技术

[0002] 公知，光电雪崩二极管通常运用于光电探测上，需要比较高的灵敏度，因为其自身的增益受温度影响大，这就需要对其进行温度补偿控制。

[0003] 目前，对光电雪崩二极管进行温度补偿一般采用调整光电二极管偏压的方法，但是外部提供偏压控制通常需要几十到100V的偏压，对偏压控制的精度也有相当高的要求，这些都需要通过一系列的复杂外围电路才能实现。

[0004] 专利号为200420034040.X的中国实用新型专利公开了一种雪崩光电二极管温度偏置电压测试设备，通过在电压产生部分设置有升压装换器及另设置控制装置如单片机来补偿APD的偏置电压，可以控制APD的偏压使之随温度按一定的规律改变，这样可以维持APD增益基本恒定，保证其正常工作。但是仅设升压转换器对APD的温度变化不敏感，施于APD的偏置电压会产生滞后，导致测试数据不准确和偏差。

[0005] 另外可以设置热敏电阻和温度补偿装置达到对APD偏压的温度进行补偿，如专利号为200310114995.6的中国发明专利公开了一种用于雪崩光电二极管接收机的温度补偿设备，其包括电压产生部分，光接收部分包括热敏电阻，热敏电阻用于感知APD中的温度变化，控制部分包括温度补偿装置，其能接收来自热敏电阻的温度数据，通过改变与热敏电阻相连的可调补偿电阻的大小来改变补偿斜率，对APD的温度相关性能损失进行补偿，但是可调补偿电阻存在较大的误差，当APD温度系数不同时引起误差较大，无法实现要求温度范围内的全范围良好温度补偿。

发明内容

[0006] 为了克服采用控制偏压的方法对光电二极管进行温度补偿所带来的电路复杂和精度问题，本发明的目的就在于提供一种光电二极管恒温控制方法和装置，能保证光电二极管工作在恒定的增益，在环境温度变化很大的情况下，也可以精确的控温。

[0007] 本发明的技术方案是：光电二极管恒温控制方法，包括如下步骤：温度传感器探测光电二极管温度，通过模数转换器将温度电信号转换为数字信号，数字信号处理器对温度信号进行处理，其特征在于：运用比例积分微分增量算法，控制数模转换器输出，控制脉宽调制功率驱动电路，驱动半导体制冷器对光电二极管模块进行控温，半导体制冷器控温是双向的能加热制冷，且通过RS232串行接口电路设定调整控制温度，并实时读取温度，整个装置是一个闭环控制系统。

[0008] 光电二极管恒温控制装置，其特征在于：包括光电二极管夹具和温度控制卡两部分，夹具部分和温度控制卡通过软线连接；光电二极管夹具部分包括光电二极管夹具、温度传感器和半导体制冷器；温度控制卡部分包括数字信号处理器、模数转换器、数模转换器、温度信号处理电路、脉宽调制功率驱动电路和RS232串行接口电路；

[0009] 在光电二极管夹具内部设置温度传感器；在光电二极管夹具底部设置半导体制冷器；温度传感器连接至温度信号处理电路，温度信号处理电路连接模数转换器，数字信号处理器通过16位数据总线分别与模数转换器和数模转换器相连，数模转换器连接至脉宽调制功率驱动电路，脉宽调制功率驱动电路与半导体制冷器相连；RS232串行接口电路与数字信号处理器相连。

[0010] 如上所述的光电二极管恒温控制装置，其特征在于：还包括基准电压源，其分别与模数转换器、数模转换器、温度信号处理电路和脉宽调制功率驱动电路连接。

[0011] 本发明的有益效果是：本发明能使光电二极管APD工作在恒定的温度，从而保证光电二极管工作在恒定的增益，因为半导体制冷器具有双向可加热可制冷功能，在环境温度变化很大的情况下，都可以精确的控温。

附图说明

[0012] 图1是本发明实施例装置的电路原理框图

[0013] 图2是图1中温度信号处理电路的电路原理图

[0014] 图3是图1中模数转换器的电路原理图

[0015] 图4.1-4.4是图1中数字信号处理器芯片TMS320F2812的电路原理图[0016] 图5是图1中脉宽调制功率驱动电路的电路原理图

具体实施方式

[0017] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0018] 图1中标记的说明：1-数字信号处理器，2-模数转换器，3-数模转换器，4-基准电压源，5-温度信号处理电路，6-脉宽调制功率驱动电路，7-温度传感器，8-半导体制冷器，9-RS232串行接口电路，10-光电二极管夹具。

[0019] 如图1所示，本发明实施例装置包括光电二极管夹具和温度控制卡两部分，夹具部分和温度控制卡通过软线连接。光电二极管夹具部分包括光电二极管夹具10、温度传感器7和半导体制冷器8；温度控制卡部分包括数字信号处理器1、模数转换器2、数模转换器3、基准电压源4、温度信号处理电路5、脉宽调制功率驱动电路6和RS232串行接口电路9。

[0020] 在APD光电二极管夹具10内部设置温度传感器7；在APD夹具10底部设置半导体制冷器8；温度传感器7输出温度模拟信号NTC至温度信号处理电路5，温度信号处理电路5输出电压信号AIN1至模数转换器2，模数转换器2与数字信号处理器1通过16位数据总线相连，数字信号处理器1与数模转换器3通过16位数据总线相连，数模转换器3输出电压信号VOUTA至脉宽调制功率驱动电路6，脉宽调制功率驱动电路6通过TECA+、TECA-与半导体制冷器8相连。

[0021] 温度信号处理电路5将温度电阻值转化为模拟电信号，16位A/D模数转换器2由AD公司AD7656芯片组成，采用16位数据总线，6路并行采样，最高采样率250K；DSP数字信号处理器1选用TI公司的TMS320F2812PGFA芯片，主频150M，16位数据总线；16位D/A数模转换器3由LINEAR公司LTC2755芯片组成，采用16位数据总线，四路并行输出；PWM脉宽调制功率驱动电路6由TI公司的DRV591芯片组成，采用双极性输出5V/3A，250K/500K开关速度；基准电压源4电路为温度信号处理电路5、模数转换器2、数模转换器3、脉宽调制功率驱动电路6等提供基准电压参考；RS232串行总线接口电路9可与上位机通过串口通信。

[0022] 图2是温度信号处理电路5原理图，将温度传感器7(NTC热敏电阻)通过10K的精密电阻R6串接，连接至5V基准电压，将温度值转化为0～5V的电压信号。C39是滤波电容，U11是OPA2177在这里做电压跟随器，增大输入阻抗，提高信号抗干扰能力。

[0023] 图3是模数转换电路2原理图，采用AD7656芯片，单芯片内集成了6个16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC，采样速率为250K，2.5V参考电压可由内部产生，也可由外部提供，C72、C73、C76、E21、E22、E23为REFCAPA、REFCAPB、EREFCAPC到地的藕合电容电路，去干扰；U12为其提供外部2.5V参考电压，VDD3.3、+5V、VCC、+12V、-12V为其供电，SER/PARSEL管接地，选择AD芯片工作在并行数据传输模式。

[0024] 图4是DSP数字信号处理器电路1原理图，采用TI公司的TMS320F2812PGFA芯片，主频150M，32位数据处理器，16位数据总线，4MB程序/数据寻址空间，JTAG调试接口。本发明中DSP数字信号处理器电路1主要是将模数转换的数据通过插值查表法转换为温度值，通过PID算法控制数模转换输出；与PC机通过RS232串行总线接口电路9进行通信。

[0025] 数模转换器3采用LINEAR公司LTC2755芯片，双向输入/输出并行接口，内部寄存器可回读，16位四通道DA输出，输出电压范围可编程在单极性和双极性。本实用新型中控制工作在0～5V输出。5V参考电压由外部U26、U27芯片提供。

[0026] 图5是PWM脉宽调制功率驱动电路原理图，采用TI公司的DRV591芯片，双极性输出5V/3A，250K/500K开关速度，R29、C89为选择PWM频率和时钟产生，这里PWM为500K，时钟为内部产生。U19提供2.5V的反向端IN-输入电压，6脚IN+为数模转换输入端，24、25、26、27和14、15、16、17管脚为输出接口，L4、L5、E27、E28为LC滤波电路，便输出电流更稳定干净。

[0027] 本发明实施例控制方法是将光电二极管安装在光电二极管夹具10中，用温度传感器7热敏电阻探测光电二极管温度，通过模数转换器2模块将温度电信号转换为数字信号，数字信号处理器1对温度信号进行处理，运用比例积分微分(简称PID)增量算法，控制数模转换器3模块输出，控制脉宽调制功率驱动电路6，驱动半导体制冷器8对光电二极管模块进行控温，半导体制冷器控温是双向的可加热可制冷，且通过RS232串行接口电路9可以设定调整控制温度，并可实时读取温度，整个装置是一个闭环控制系统，能够对光电二极管进行精确的控温，以保证光电二极管工作在恒定的增益，从而达到光电二极管能够准确探测的目的。