专利名称：低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种温度监测电路，特别是一种低温工作型红外探测器焦平面温
度的监测电路。
背景技术：
低温工作型红外探测器加电工作时，其焦平面温度必须在指定的低温范围内，否 则会影响探测器的成像质量和使用寿命。因此在设计低温工作型红外探测器构成的成像电 路时，如何合理设计探测器焦平面温度监测电路保证监测结果的正确性和可靠性，从而正 确可靠地控制探测器的加电时刻是非常关键的。 传统的低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路中，通常采用由一个运算放大 器及外围电阻构成的恒流源为温度传感器提供偏置电流，然后将温度传感器两端的电压作 为模拟电压比较器的输入，与预先设定的阈值进行比较，比较结果作为监测结果输出。这种 监测电路存在以下一些不足之处1) 一个运算放大器及外围电阻构成的恒流源电路，输出 电流误差大，恒流精度低；2)模拟比较放大器自身容易产生振荡；3)当输入电压受噪声影 响在阈值附近波动时，模拟比较放大器容易产生多次触发，导致比较结果振荡输出；4)模 拟阈值的设置需要硬件电路产生基准电压，当具有多个阈值或需要修改阈值时，需要增加 或修改硬件电路；5)模拟电压比较器由于偏置电流和偏置电压的存在，通常具有几mV甚至 几十mV的比较误差，对于低温工作型红外探测器焦平面集成的温度传感器，当其两端的电 压与模拟阈值进行比较有几十mV的误差时，对应的温度误差通常有几十度。 因此从提高低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路的正确性、可靠性及灵活 性，保证探测器成像质量和使用寿命等方面考虑，必须提出一种新的低温工作型红外探测 器焦平面温度监测电路来满足实际需要。
实用新型内容本实用新型的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、灵活 性强的低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路。 本实用新型的技术解决方案是低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路，包 括恒流源、探测器焦平面温度传感器、模数转换器、比较器和滤波器，比较器和滤波器均采 用可编程逻辑器件实现，恒流源在外部输入电压作用下为探测器焦平面温度传感器提供恒 定的偏置工作电流，模数转换器将探测器焦平面温度传感器获取的模拟电压值转换为数字 量后送至比较器，比较器将所述数字量与预先设定的阈值进行比较并将结果送至滤波器， 滤波器对比较器的输出结果进行滤波后向外部输出。 所述的恒流源包括第一运算放大器、第二运算放大器、电阻Rl R5和电容Cl，电 阻R1的两端分别接至外部电压输入端和第一运算放大器的同向输入端，电阻R2的两端分 别接至参考电位和第一运算放大器的反向输入端，电阻R3和电容Cl并联后接至第一运算 放大器的反向输入端和输出端之间，电阻R4的一端接至第一运算放大器的同向输入端，电
3二运算放大器的反向输入端和输出端，电阻R5的两端分别接至 第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的同向输入端，第二运算放大器的同向输入端 作为恒流源的输出接至探测器焦平面温度传感器，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值 ^、、# 9电阻R4的阻值_电阻R3的阻值 ^，&电阻R1的阻值—电阻R2的阻值° 所述的探测器焦平面温度传感器为测温二极管，测温二极管的阳极接恒流源的输
出，测温二极管的阴极接参考电位。 本实用新型与现有技术相比的优点在于 (1)本实用新型中恒流源在外部输入电压作用下为探测器焦平面温度传感器提 供恒定的偏置工作电流，模数转换器将探测器焦平面温度传感器获取的模拟电压值转换为 数字量后送至比较器，比较器将所述数字量与预先设定的阈值进行比较并将结果送至滤波 器，滤波器对比较器的输出结果进行滤波后向外部输出，比较器和滤波器均采用可编程逻 辑器件实现，可靠性高，灵活性强； (2)本实用新型采用由两个运放及外围电阻构成的恒流源电路可以提高输出电流 的精度，保证温度传感器两端电压的正确性； (3)本实用新型通过模数转换器将温度传感器两端的电压转换为数字量然后在可 编程逻辑器件中通过数字比较器进行数字比较，可以避免传统的模拟电压比较器比较输出 不稳定、抗干扰能力差的问题； (4)本实用新型可编程逻辑器件中的数字比较器，通过VHDL硬件描述语言进行软
件设计实现，比较器的比较阈值为软阈值，修改阈值或增加、减小阈值范围时，直接修改软
件即可实现，无需修改硬件电路，大大提高了本实用新型电路的灵活性； (5)本实用新型在可编程逻辑器件中对数字比较器的比较结果进行数字滤波后再
作为监测结果输出，可以避免焦平面温度在工作温度范围临界值波动时监测结果振荡进而
引起探测器频繁加电断电的情况，保证了探测器的寿命和性能。
图1为本实用新型监测电路的原理图； 图2为本实用新型监测电路中恒流源的原理图； 图3为本实用新型监测电路中数字比较器的原理图； 图4为本实用新型监测电路中软滤波的实现原理图。
具体实施方式如图1所示，为本实用新型低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路的原理 图，包括恒流源、探测器焦平面温度传感器、模数转换器、比较器和滤波器，比较器和滤波器 均采用可编程逻辑器件实现。恒流源将输入电压VI转换为恒定的电流Ib，作为探测器焦平 面温度传感器的偏置电流。模数转换器采集温度传感器两端的电压Vt，并将其转换为数字 量CODEt[O. . N-l] ，N为模数转换器的量化位数。根据红外探测器要求的工作温度范围、焦平 面温度与温度传感器两端电压的对应关系以及模拟电压与数字量之间的转换关系，在可编 程逻辑器件中通过硬件描述语言设置软阈值C0DEth[0. . N-l]并与输入的数字量C0DEt[0..N-l]进行比较，比较后的结果进行软滤波，滤波结果作为监测结果输出。 如图2所示，为本实用新型监测电路中恒流源的原理图，包括电压输入端201、 电阻Rl R5、电容Cl、第一运算放大器231、第二运算放大器232和电流输出端202。电 阻R1的一端接电压输入端201，另一端与第一运算放大器231的同向输入端相连。电 阻R4、第二运算放大器232构成第一运算放大器231的正反馈环路，其中第二运算放大 器232的反向输入端与输出端相接，构成电压跟随器。电阻R2的一端接参考电位，另一 端与第二运算放大器232的反向输入端相连。电阻R3为反馈电阻，其一端与第一运算 放大器231的反向输入端相连，另一端与第一运算放大器231的输出端相连，构成第一 运算放大器231的负反馈环路。电路中电阻Rl、电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值应保证 电阻R4的阻值电阻R3的阻值
电阻R1的阻值电阻R2的阻值
。根据运算放大器虚短、虚断的概念，电阻R5两端的电压满
由阳TM的阳倌
足关系式电阻R5两端的电压电源输入端201的输入电压x^^^。当电源输入端
电阻R1的阻值
201的输入电压恒定，且电阻Rl R5的阻值固定时，电流输出端202的输出电流恒定。电
流输出端202的输出电流表达式为电流输出端202的输出电流=电，^==。电流
电阻R5的阻值
输出端202的输出电流大小可以通过改变电阻R5的阻值进行调节，电阻R5的阻值增大，输 出电流减小，反之，电阻R5的阻值减�。涑龅牡缌髟龃�。电流输出端202的输出电流大小
还可以通过改变电, M的隨，进而改变========的比值进行
电阻R1的阻值电阻R2的阻值
调节。第一运算放大器231的负反馈环路中加入电容C1进行相位补偿，以保证电路的稳定 性。 温度传感器通常采用热敏电阻、测温二极管或测温三极管来实现。本实用新型实 例中，所使用的温度传感器为测温二极管Dt，測温二扱管Dt的阳极接恒流源的电流输出端 202，阴极接参考电位。当恒流源为其提供的偏置电流Ib恒定时，测温二极管DT所感应的温 度与阳极端的电压Vt存在一定的对应关系。 测温二极管DT的阳极端与模数转换器的模拟输入端相接，阳极端的电压Vt作 为模数转换器的输入，模数转换器的数字输出端与可编程逻辑器件的输入端相连，将模数 转换器输出的数字量CODEt[O..N-l]输入给可编程逻辑器件。焦平面温度每变化l度， 测温二极管DT的阳极电压变化几个mV，为保证监测精度，本实用新型中选择高量化位数 N(N^ 12bits)的模数转换器(如美国国家半导体公司的ADC14L040，德州仪器公司的 ADS5541，美国模拟器件公司的AD7484、AD9243等)进行模拟量到数字量的转换以提高监测 本实用新型中，在可编程逻辑器件中通过VHDL硬件描述语言的条件判断语句设 计数字比较器，原理如图3所示。CODEthl[O..N-l]为N位二进制低阈值，CODE他[O..N-l]为 N位二进制高阈值，CODEt[O. . N-l]与两个阈值进行比较，当在其范围内时比较结果TEMP为 'l'，否则为'0'。 二进制阈值的设置首先根据红外探测器要求的工作温度范围确定温度阈 值，然后按照测温二极管DT感应的温度与阳极电压Vt的对应关系以及阳极模拟电压与数字 量之间的转换关系来确定。不同的探测器要求工作温度范围不同，当温度阈值改变时，只需
5根据测温二极管DT感应的温度与阳极电压Vt的对应关系以及阳极模拟电压与数字量之间 的转换关系重新确定数字电压阈值，然后通过软件修改CODEtM[O. . N-l]及CODEm[O. . N_l] 的值。对于当只需一个比较阈值时，可以简化数字比较器的设计。 当数字量C0DEt[0. . N-l]在阈值附近振荡变化时，比较器的输出结果TEMP会在 '0'和'1'两个状态下翻转，从而产生振荡。为了防止监测结果振荡输出，本实用新型中在 可编程逻辑器件中加入数字滤波。数字滤波的实现原理如图4所示。在可编程逻辑器件中 对比较结果TEMP进行等间隔多次采样，若任意相邻次数M(如M = 7次)的采样结果均为 'l'，则监测结果MORNITOR输出为'l'，否则为'0'。图4中S1至S7连续7次采样结果不 全部为'1'，因此MORNITOR为'0' ;S2至S8连续7次采样结果不全部为'1'，因此MORNITOR 仍为'0';依此类推，直到S8至S14连续7次采样结果全部为'l'， MORNITOR才为'1' ;S9 至S15连续7次采样结果全部为'l'，所以MORNITOR仍为'1';依次类推，直到Sn采样结 果，MORNITOR—直为'1'。比较器结果TEMP经过本实用新型的数字滤波后再作为监测结果 输出，可以避免当焦面温度在工作温度范围临界值波动时，比较结果TEMP振荡导致监测结 果振荡进而导致探测器频繁加电断电情况的产生。本实用新型中连续采样次数M的确定可 以根据实际情况进行选择和调整。 本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路，其特征在于包括恒流源、探测器焦平面温度传感器、模数转换器、比较器和滤波器，比较器和滤波器均采用可编程逻辑器件实现，恒流源在外部输入电压作用下为探测器焦平面温度传感器提供恒定的偏置工作电流，模数转换器将探测器焦平面温度传感器获取的模拟电压值转换为数字量后送至比较器，比较器将所述数字量与预先设定的阈值进行比较并将结果送至滤波器，滤波器对比较器的输出结果进行滤波后向外部输出。
2. 根据权利要求l所述的低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路，其特征在于所述的恒流源包括第一运算放大器(231)、第二运算放大器(232)、电阻Rl R5和 电容C1，电阻R1的两端分别接至外部电压输入端(201)和第一运算放大器(231)的同 向输入端，电阻R2的两端分别接至参考电位和第一运算放大器(231)的反向输入端， 电阻R3和电容C1并联后接至第一运算放大器(231)的反向输入端和输出端之间，电 阻R4的一端接至第一运算放大器(231)的同向输入端，电阻R4的另一端同时接至第 二运算放大器(232)的反向输入端和输出端，电阻R5的两端分别接至第一运算放大 器(231)的输出端和第二运算放大器(232)的同向输入端，第二运算放大器(232)的同 向输入端作为恒流源的输出接至探测器焦平面温度传感器，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值应满足^M^I-^^1。电阻R1的阻值电阻R2的阻值
3. 根据权利要求1或2所述的低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路，其特征在于所述的探测器焦平面温度传感器为测温二极管，测温二极管的阳极接恒流源的输出，测温二极管的阴极接参考电位。
专利摘要低温工作型红外探测器焦平面温度监测电路，包括恒流源、探测器焦平面温度传感器、模数转换器、比较器和滤波器，比较器和滤波器均采用可编程逻辑器件实现，恒流源在外部输入电压作用下为探测器焦平面温度传感器提供恒定的偏置工作电流，模数转换器将探测器焦平面温度传感器获取的模拟电压值转换为数字量后送至比较器，比较器将所述数字量与预先设定的阈值进行比较并将结果送至滤波器，滤波器对比较器的输出结果进行滤波后向外部输出。本实用新型具有可靠性高、灵活性强的特点，可以显著提高探测器的成像质量和使用寿命。
文档编号G01J5/22GK201464051SQ200920109000
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者李涛, 王 华 申请人:北京空间机电研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
