CN202750009U - 数字控制式直流升压装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种数字控制式直流升压电源及其应用，其特征在于数字控制电路内设有ARM控制器、分别与ARM控制器相连接的A/D转换器和D/A转换器，A/D转换器和D/A转换器的另一端分别与电压检测电路输出端和模拟PI电路的输入端相连接，模拟PI电路的输出端与直流升压电路的输入端相连接，直流升压电路与APD模块相连接，温度检测单元粘贴在APD模块表面，其中输出端与ARM控制器相连接，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：APD电压温度调节采用数字方式控制，增加了控制的灵活性和准确性；使用的器件较少，降低了保持APD增益稳定的成本。

Description

数字控制式直流升压装置及其应用

技术领域

 本实用新型属于光纤传感技术领域，具体地说是一种特别适用于分布式光纤测温系统中的，能够保证APD增益稳定，增加测温的准确度的数字控制式直流升压装置及其应用。

背景技术

20世纪80年代以来，光纤传感技术在发达国家得到了迅速的发展，各种光纤传感器以其独特的优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输等领域。从20世纪70年代末，我国开始从事这方面的研究，目前国内比较成熟的光纤传感产品是：分布式光纤测温产品。分布式光纤测温系统基于光纤后向拉曼散射技术，如何获取后向拉曼的斯托克斯光和反斯托克斯光信号是该系统的关键。由于斯托克斯光和反斯托克斯光信号很微弱，目前使用的方法就是通过APD（雪崩光电二极管）将光信号转换为电信号，然后通过运算放大经采集卡完成数据采集上传。

光电信号的转换主要依靠APD的光电雪崩效应将光信号转换为电信号，APD产生光电雪崩的条件为：一、施加一定电压（25℃大约在200V）；二、有一定数量的光子打入。数字控制式直流升压电源为APD提供一个稳定的高电压。

光电转换电路中从APD输出的信号很微弱，大约在1uA左右，为了尽可能小的引入噪声，直流升压电源的高压输出波动越小越好。同时为了降低光电转换输出信号的波动，APD增益必须保持稳定，APD增益与其所处环境温度、所加电压有关，为了保证APD增益稳定，需要根据APD所处环境温度来调节APD所加电压。目前解决这个问题的主要方法是保证APD所处环境温度稳定，给APD施加固定电压，其方法为将APD制作成蝶形封装，将温度控制器件与APD集成于一体。采用这种方式虽然可以保证APD温度稳定，只要保证APD所加电压稳定就可以保证APD增益稳定，但是采用这种方式需要增加大量的温控外围电路，而且增加了APD的加工工艺，APD价格也大幅增加。

发明内容

本实用新型针对现有保持APD增益稳定方法的不足，提出了一种结构合理、工作可靠，可以使用数字方法实现对电压输出的闭环控制，APD增益稳定性好的数字控制式直流升压装置及其应用。

本实用新型可以通过以下措施达到：

一种数字控制式直流升压装置，包括数字控制电路、APD模块、温度检测单元、直流升压电路、模拟PI电路以及电压检测电路，其特征在于数字控制电路内设有ARM控制器、分别与ARM控制器相连接的A/D转换器和D/A转换器，A/D转换器和D/A转换器的另一端分别与电压检测电路输出端和模拟PI电路的输入端相连接，模拟PI电路的输出端与直流升压电路的输入端相连接，直流升压电路与APD模块相连接，温度检测单元粘贴在APD表面，其输出端与ARM控制器相连接。

本实用新型中所述直流升压电路设有脉冲发生器U1，储能电感L1，储能电容CD1和MOSFET管T1，其中脉冲发生器U1的脉冲输出端与MOSFET管T1相连接，MOSFET管的另外两个管脚分别与储能电感L1、储能电容CD1相连接，储能电感L1与储能电容CD1之间设有二极管D1，在使用时，模拟PI向脉冲发生器U1内输入一个高于2.5V的电压信号，脉冲发生器U1脉冲输出被使能，向MOSFET管T1发出固定频率，固定占空比的脉冲信号（如：频率100kHz，占空比95%），当脉冲信号处于高电平时，MOSFET管T1处于导通状态，储能电感L1处于充电状态，储能电感L1将储存一定的电能，当脉冲信号处于低电平时，MOSFET管T1处于截止状态，储能电感L1处于放电状态，储能电感L1通过二极管D1释放电能给储能电容CD1，储能电容CD1获得电能，电位升高，一个脉冲周期储能电容CD1两端的电位上升的电压达不到设定值，可以通过多个脉冲周期逐渐将储能电容CD1电位升到设定的值，储能电容CD1两端的电位升到设定值，模拟PI电路输出一个低于2.5V的电压信号，脉冲发生器U1经电压检测电路检测到脉冲输出使能引脚的电平低于2.5V，停止脉冲输出，保持输出低电平。

本实用新型中的模拟PI电路中设有三只运算放大器，数字控制电路输出控制信号送给运算放大器U1，用于实现电压跟随的运算放大器U1输出的信号按强度1比1的送给运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2将电压检测电路输出与运算放大器U1输出的差值进行一定比例的放大运算后，输出送给运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U3将2.5V电压与运算放大器U2输出的差值进行积分放大运算后的输出作为模拟PI电路的最终输出。

本实用新型在使用时，温度检测单元粘贴在APD表面测量APD的温度，ARM控制器实时读取温度检测单元的温度值，ARM控制器核对该温度值下APD需要加的电压，该控制电压信号通过D/A转换器发给模拟PI电路，模拟PI电路将检测的输出电压信号与控制电压信号进行比例积分运算，快速的调节直流升压电路的电压输出，电压检测电路将检测的高压信息发给模拟PI电路和A/D转换器，ARM控制器通过读取A/D的数据确认APD所加电压是否正确。

一种分布式光纤测温装置，包括激光发生器、与激光发生器的输出端相连接并将激光脉冲输入传感光纤的波分复用器、传感光纤、与波分复用器相连接的光电转换电路、与光电转换电路的输出端相连接的信号放大电路、与信号放大电路输出端相连接的数据采集上传电路、与数据采集上传电路相连接的温度解调器，其特征在于所述光电转换电路的APD电压由上述数字控制式直流升压装置提供。

本实用新型中所述的分布式光纤测温装置，其中激光发生器为整个装置提供脉冲激光束，脉冲激光束经波分复用器打进传感光纤，激光在光纤中产生后向拉曼散射，后向拉曼信号里携带着温度信息；波分复用器的作用是将脉冲激光束、瑞利光、斯托克斯光和反斯托克斯光分离开，脉冲激光打进传感光纤后，激光在光纤中会产生拉曼散射和瑞利散射，瑞利散射光的中心波长与打入激光中心波长一样，拉曼散射生成波长变长的斯托克斯光和波长变短的反斯托克斯光，波分复用装置将返回的瑞利光滤除，将斯托克斯光和反斯托克斯光分开为两路输出；光电转换电路作用是将光信号转换成电信号，从波分复用器返回的斯托克斯光和反斯托克斯光信号是不能直接进行检测的，需要将其转换为电信号之后才可以测量，光电转换电路通过两只APD将光信号转换为电信号；信号放大处理电路的作用是保证足够带宽的前提下将电信号进行放大处理，APD将光信号转换成电信号但是信号强度十分微弱，仅为uA量级的电流信号，信号放大处理电路分为三级放大，第一级将电流信号转换成电压信号，第二级为正向放大，第三级为反向放大，数据采集上传电路的作用是将斯托克斯和反斯托克斯信号进行模数转换，然后完成一定次数的累加之后将数据上传给PC机系统，PC机系统只能对数字量进行计算处理，所以斯托克斯和反斯托克斯两路模拟量必须经过数据采集电路转换为数字量才能进行下一步的计算，由于斯托克斯和反斯托克斯信号参杂了大量的白噪声，单次采集上传的数据无法使用，通过一定次数的累加之后白噪声得以抑制，数据采集上传电路通过USB方式将累加之后的数据上传至PC机系统；温度解调装置的作用是将上传的斯托克斯和反斯托克斯数据通过相关的算法实现对上传数据到温度转换，温度解调装置本身是一台PC主机，其通过USB接口接受数据采集电路的数据，然后运行相应算法实现温度解调。

本实用新型提出了数字控制式直流升压装置及方法，方便可编程控制器直接控制，成本较低，性能稳定，为保持APD增益稳定提供了完整的解决方法，数字控制式直流升压电源可以使用数字方法实现对电压输出的闭环控制，控制效果好，APD增益稳定性好，电路设计简单，大幅降低了费用。

附图说明：

附图1是本实用新型中直流升压电路结构示意图。

附图2是本实用新型中模拟PI电路的一种结构示意图。

附图3是本实用新型中数字控制部分的一种结构示意图。

附图4是本实用新型的结构示意图。

附图标记：数字控制电路1、APD模块2、温度检测单元3、直流升压电路4、模拟PI电路5、电压检测电路6、ARM控制器7、A/D转换器8、D/A转换器9、电源基准芯片10。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施，对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型提出了一种数字控制式直流升压装置，包括数字控制电路1、APD模块2、温度检测单元3、直流升压电路4、模拟PI电路5以及电压检测电路6，其特征在于数字控制电路1内设有ARM控制器7、分别与ARM控制器7相连接的A/D转换器8和D/A转换器9，A/D转换器8和D/A转换器9的另一端分别与电压检测电路6输出端和模拟PI电路5的输入端相连接，模拟PI电路5的输出端与直流升压电路4的输入端相连接，直流升压电路4与APD模块2相连接，温度检测单元3粘贴在APD模块2表面，其中输出端与ARM控制器7相连接。

如附图1所示，本实用新型中所述直流升压电路由脉冲发生器U1，储能电感L1，储能电容CD1和MOSFET管T1组成，在使用时，模拟PI向脉冲发生器内输入一个高于2.5V的电压信号，脉冲发生器U1脉冲输出被使能，发出固定频率，固定占空比的脉冲信号，当脉冲信号处于高电平时，MOSFET管T1处于导通状态，储能电感L1处于充电状态，储能电感L1将储存一定的电能，当脉冲信号处于低电平时，MOSFET管T1处于截止状态，储能电感L1处于放电状态，储能电感L1通过二极管D1释放电能给储能电容CD1，储能CD1获得电能，电位升高，一个脉冲周期储能电容CD1两端的电位上升的电压达不到设定值，可以通过多个脉冲周期逐渐将CD1电位升到设定的值，CD1两端的电位升到设定值，模拟PI电路输出一个低于2.5V的电压信号，脉冲发生器U1检测到脉冲输出使能引脚的电平低于2.5V，停止脉冲输出，保持输出低电平。

如附图2所示，本实用新型中的模拟PI电路5，主要由三只运算放大器组成，其中运算放大器U1实现电压跟随功能，运算放大器U2实现比例运算功能，运算放大器U3实现积分运算功能，工作时，数字控制电路输出控制信号送给运算放大器U1，运算放大器U1实现电压跟随，运算放大器U1输出的信号强度按1比1的送给运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2将电压检测电路输出与运算放大器U1输出的差值进行一定比例的放大运算，运算放大器U2的输出送给运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U3将2.5V电压与运算放大器U2输出的差值进行积分放大运算，运算放大器U3的输出作为模拟PI电路的最终输出，控制直流升压电路4的工作状态。

如附图3所示，数字控制部分主要由ARM控制器7、A/D转换器8、D/A转换器9组成，其中ARM处理器7分别与A/D转换器8、D/A转换器9、电压检测电路6、温度检测单元3相连接，此外A/D转换器8和D/A转换器9还与电源基准芯片10相连接。

图4描述了APD电压温度控制框图，主要由数字控制电路1、模拟PI电路5、电压检测电路6、直流升压电路4、温度检测单元3组成，数字控制电路1读取温度检测单元3的温度值，数字控制电路1根据APD电压温度关系，向模拟PI电路5发送电压控制信号，模拟PI电路5根据电压检测电路6和数字控制电路1的输入快速控制直流升压电路4进行升压，直流升压电路4最终输出稳定的电压送给APD模块2，数字控制电路1经电压检测电路6周期性的获取直流升压的电路的电压值，检测电压是否正常。

本实用新型提出的数字控制式直流升压装置，直流升压电路通过固定频率、固定占空比的脉冲信号触发功率MOSFET管，储能电感和储能电容通过充放电实现直流升压，模拟PI电路对控制输入和反馈输入进行比例积分运算，实现对输出电压的快速控制，温度检测单元可以粘贴于APD模块2表面，并实现温度数字上传，数字控制电路ARM控制器7通过D/A转换器9控制电压输出，通过A/D转换器8以及电压检测电路6检测电压输出是否正常。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：APD电压温度调节采用数字方式控制，增加了控制的灵活性和准确性；升压电路简单，使用的器件较少，降低了保持APD增益稳定的成本。

Claims (4)

1.一种数字控制式直流升压装置，包括数字控制电路、APD模块、温度检测单元、直流升压电路、模拟PI电路以及电压检测电路，其特征在于数字控制电路内设有ARM控制器、分别与ARM控制器相连接的A/D转换器和D/A转换器，A/D转换器和D/A转换器的另一端分别与电压检测电路输出端和模拟PI电路的输入端相连接，模拟PI电路的输出端与直流升压电路的输入端相连接，直流升压电路与APD模块相连接，温度检测单元粘贴在APD表面，其输出端与ARM控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种数字控制式直流升压装置，其特征在于所述直流升压电路设有脉冲发生器U1，储能电感L1，储能电容CD1和MOSFET管T1，其脉冲发生器U1的脉冲输出端与MOSFET管T1相连接，MOSFET管的另外两个管脚分别与储能电感L1、储能电容CD1相连接，储能电感L1与储能电容CD1之间设有二极管D1。

3.根据权利要求1所述的一种数字控制式直流升压装置，其特征在于模拟PI电路中设有三只运算放大器，数字控制电路输出控制信号送给运算放大器U1，用于实现电压跟随的运算放大器U1输出的信号按强度1比1的送给运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2将电压检测电路输出与运算放大器U1输出的差值进行一定比例的放大运算后，输出送给运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U3将2.5V电压与运算放大器U2输出的差值进行积分放大运算后的输出作为模拟PI电路的最终输出。

4.一种分布式光纤测温装置，包括激光发生器、与激光发生器的输出端相连接并将激光脉冲输入传感光纤的波分复用器、传感光纤、与波分复用器相连接的光电转换电路、与光电转换电路的输出端相连接的信号放大电路、与信号放大电路输出端相连接的数据采集上传电路、与数据采集上传电路相连接的温度解调器，其特征在于所述光电转换电路内设有如权利要求1至3中任意一项所述的数字控制式直流升压装置。

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