CN102353458A - 一种温度信号采集电路、该电路的应用及红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度信号采集电路、该电路的应用及红外探测器，电路为减法器电路，减法器电路的反相输入端与同相输入端分别连接用于温度采样的低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+），减法器电路输出端输出温度反馈信号；利用减法电路作为信号采集电路，能够直接获得压差；而且电路中的第二电阻（R）不仅提供减法电路的分压，还在外部电路出现异常以及电流波动时，为外部灌入电路提供泄放通道，避免外部电路波动影响探测器温控二极管的正常工作，保证了探测器的使用安全。

Description

一种温度信号采集电路、该电路的应用及红外探测器

技术领域

本发明涉及制冷型红外探测器，特别是制冷型红外探测器温度反馈信号提取设计。

背景技术

红外成像系统在我国国防建设以及国民生活中应用日益广泛。制冷型红外探测器是制冷型红外成像系统的核心器件。目前，制冷型红外探测器温度反馈信号多用于对探测器光敏元工作环境温度进行判断从而达到控制制冷机工作功率的目的。温度反馈信号在探测器内部为一温控二极管输出电压差，其低电压为DTK-，高电压为DTA+。对于温度反馈信号的提取，一般是将温度反馈电压信号DTA+作为高电压，DTK-作为地与外部电路地连接方式，然后通过外部电路达到不同的设计目的。但是由于DTK-与外部地存在压差，与外部地连接后，外部工作电流容易波动进入探测器，造成温控二极管工作不正常甚至损坏，影响探测器的正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够安全提取温度反馈信号的信号采集电路、采用该电路的制冷型红外探测器以及该电路在红外探测器温度信号提取中的应用，用以解决外部工作电流波动灌入对探测器造成影响的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种安全提取温度反馈信号的电路，该电路为减法器电路，减法器电路的反相输入端与同相输入端分别连接用于温度采样的低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+），减法器电路输出端输出温度反馈信号；所述减法器电路包括运算放大器（N1），所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别通过第一、第三电阻（R-、R+）连接运算放大器（N1）的反相输入端与同相输入端，运算放大器（N1）的同相输入端与地之间设有第二电阻（R），运算放大器（N1）输出端与反相输入端之间设有反馈电阻（Rf），运算放大器（N1）输出端为所述减法器电路输出端。

本发明的另一种方案是：一种安全提取温度反馈信号的制冷型红外探测器，包括红外探测器，探测器的用于温度采样的温控二极管两端电压分别输出低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+），所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别连接减法器电路的反相输入端与同相输入端，减法器电路输出端输出所述温度反馈信号；所述减法器电路包括运算放大器（N1），所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别通过第一、第三电阻（R-、R+）连接运算放大器（N1）的反相输入端与同相输入端，运算放大器（N1）的同相输入端与地之间设有第二电阻（R），运算放大器（N1）输出端与反相输入端之间设有反馈电阻（Rf），运算放大器（N1）输出端为所述减法器电路输出端。

本发明的又一种方案是：减法器电路在制冷型红外探测器的安全提取温度反馈信号中的应用。

利用减法电路作为信号采集电路（或者说信号提取电路），能够直接获得压差，即真正的温度反馈电压信号；而且电路中的第二电阻（R）不仅提供减法电路的分压，还在外部电路出现异常以及电流波动时，为外部灌入电路提供泄放通道，避免外部电路波动影响探测器温控二极管的正常工作，保证了探测器的使用安全。电路设计仅采用了运算放大器和电阻元件，电路简单易行，电路尺寸也很小。

进一步的，所述运算放大器的输出端还连接用于隔离的光耦器件。在运放输出端增加光耦，能够更进一步隔离外部电路与提取电路及探测器。

附图说明

图1是信号提取电路原理图；

图2是红外成像系统组成图；

图3是探测器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

探测器实施例

如图2所示为红外成像系统组成图，下面对各个组件进行介绍：

光学组件：通常含有光学镜片、调节电机和传动机械结构、视场切换电机和切换机械结构以及汇聚镜头等，实现光学成像功能，将外部红外辐射信号汇聚到红外探测器内光敏元的焦平面上。

探测器：为一个集成器件，结构如图3。最前方有一光学镜面2，红外辐射信号通过镜面进入金属杜瓦1内的光敏元焦平面上，通过内部信号处理电路完成光信号到电信号的转换；同时信号处理电路含有电路测温功能，检测内部光敏元的工作环境温度，通过一个温度反馈电压二极管将温度反馈信号输出到接口4上；制冷机3对金属真空杜瓦1进行制冷，使光敏元工作在一个稳定的工作环境温度内（通常为77K~110K之间）。温度反馈信号由接口4输出，通过与接口5相连可以提供给制冷机控制制冷机的工作功率达到制冷稳定后内部温度稳定。故障检测功能电路采用的电压反馈信号（DTA+和DTK-）从接口4中进行提取和设计。

探测器驱动组件：该组件由外部电路设计完成。产生探测器正常工作所需要的电源、偏置电压和控制时钟信号，保证探测器正常工作。同时对探测器输出的外部场景的弱小电信号进行信号提取。

成像电路组件：对经过探测器驱动组件提取后的外部场景信号进行A/D转换、时序调整、成像算法设计以及D/A转换，形成标准的电视信号输出到显示器等监视设备上形成人眼可观察的图像信号。

显示器等：显示经过成像电路组件处理后的图像信号，形成图像信息供人眼进行观察和识别等。

如图1所示的信号提取电路，主要为一个运算放大器N1，温控二极管产生电压信号DTA+连接运算放大器N1的正向输入端，DTK-连接运算放大器N1的负向输入端。运算放大器结合外部电阻构成减法器设计。R+、R-、R和Rf根据减法电路关系取值，使运算放大器N1输出Vout值为（DTA+）-（DTK-）。输出端连接后部采样电路。

根据探测器技术说明文件，温度反馈信号的最大驱动能力为25μA，经过大量试验测量，DTK-与地之间最大电压为2.3V，而DTA+与DTK-之间最大压差将近1.6V，由此可知，DTA+与地之间最大压差为V₁=3.9V。

根据减法器的最简设计。取值R=R+, Rf＝R-，可以得到Vout＝（DTA+）-（DTK-）。

R取值100K，则可以计算驱动电流I= V₁/(R+Rf)=19.5μA。

由上述叙述可知，DTA+最大驱动能力为25μA。R取值100K后，驱动电流达到19.5μA，冗余量只有5.5μA。考虑到电阻本身阻值误差、印制板连线阻值以及连接接口电阻等，R增大后可能导致DTA+无法驱动电路正常工作。

作为其他实施方式，还可以在运算放大器N1输出端与后部采样电路之间设一个光耦器件，能隔离外部电路与提取电路、探测器。

温度信号采集电路实施例

在非上实施例所述的探测器上，在其他领域，采集温度信号时，也可以采用如图1所示的电路，此时N1的两个输入端应相应连接到前端的电路上，输出直接给出两连接点的电压差。

应用实施例

在红外探测器上的应用，关键在于电阻R，由于R既是分压电阻，也是泄流电阻，其的取值非常关键，即不能太大，太大影响系统工作，也不能太小，太小影响泄流效果。

作为泄流电阻，希望能够提供尽量大的泄流通道，可以在外部电路波动时尽快完成电路的泄放，缩短系统稳定所需要的时间，这样电阻值取值越小越好；作为分压电阻，DTA+和地相连，电路要稳定正常的工作，考虑DAT+的驱动能力，电阻不能过小，否则，DTA+有可能驱动不了，整个电路无法正常工作。由于温控二极管输出信号驱动能力有限，为保证系统能正常工作，电阻取值不应过大，最好在100KΩ左右。

Claims (4)

1.一种安全提取温度反馈信号的信号采集电路，其特征在于，该电路为减法器电路，减法器电路的反相输入端与同相输入端分别连接用于温度采样的低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+），减法器电路输出端输出温度反馈信号；

所述减法器电路包括运算放大器（N1），所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别通过第一、第三电阻（R-、R+）连接运算放大器（N1）的反相输入端与同相输入端，运算放大器（N1）的同相输入端与地之间设有第二电阻（R），运算放大器（N1）输出端与反相输入端之间设有反馈电阻（Rf），运算放大器（N1）输出端为所述减法器电路输出端。

2.一种如权利要求1所述电路在制冷型红外探测器的安全提取温度反馈信号中的应用。

3.一种安全提取温度反馈信号的制冷型红外探测器，包括红外探测器，探测器的用于温度采样的温控二极管两端电压分别输出低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+），其特征在于，所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别连接减法器电路的反相输入端与同相输入端，减法器电路输出端输出所述温度反馈信号；

所述减法器电路包括运算放大器（N1），所述低电压信号（DTK-）与高电压信号（DTA+）分别通过第一、第三电阻（R-、R+）连接运算放大器（N1）的反相输入端与同相输入端，运算放大器（N1）的同相输入端与地之间设有第二电阻（R），运算放大器（N1）输出端与反相输入端之间设有反馈电阻（Rf），运算放大器（N1）输出端为所述减法器电路输出端。

4.根据权利要求3所述的一种安全提取温度反馈信号的制冷型红外探测器，其特征在于，所述运算放大器的输出端还连接用于隔离的光耦器件。

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