一种低成本的数字高精度波长控制电路与方法
技术领域
本发明涉及测量精度控制技术领域，特别涉及一种低成本的数字高精度波长控制电路与方法。
背景技术
激光器发射的激光束，会因为环境的温度等原因导致激光束波长发生变化，为了将激光束的波长维持在所需的波长下，需要对激光器的温度进行检测。如图4所示，通常对激光器或其他器件进行测温时，设置一个热敏电阻，通过对热敏电阻的阻值或电压的变化进行测量，即可知道被测物件的温度。
但温度变化量很大时，比如变化量高达150摄氏度以上时，电压的变化量可能才2V，那么通过测量电压的变化来计算温度值时，精度会非常低，使得温度测量不精准，并不能达到精密测温的目的，进而也不能对温度进行精密控制。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种低成本的数字高精度波长控制电路与方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种低成本的数字高精度波长控制电路，包括电桥电路、放大电路、PID控制器、精度控制电路、切换电路，其中：
电桥电路，接入热敏电阻，对热敏电阻的温度值输出一个差分电压信号作为温度反馈值输出至放大电路；
放大电路，对电桥电路输出的温度反馈值进行放大和线性变换，将放大和线性变换后的温度反馈电压值输出至PID控制器；
PID控制器，接收放大电路发送的温度反馈值，与预设的温度设定值进行PID计算后，向切换电路输出PID计算结果，并将该PID计算结果转换为两路12bit的DAC信号输出至精度控制电路；所述PID结果为16bit的有符号数；
精度控制电路，根据PID控制器转换输出的DAC信号，调节切换电路的工作电流大小；
切换电路，根据PID控制器输出的PID计算结果的符号，切换工作电流的方向，从而对激光器进行加热或制冷的切换，并且根据精度控制电路的调节，改变工作电流的大小，从而调节对激光器进行加热或制冷的功率。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述电桥电路包括电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35，所述电阻R32的一端、电阻R34的一端共同接入参考电压Vref，电阻R33的一端接入热敏电阻，电阻R33的另一端与电阻R32的另一端连接，电阻R34的另一端与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端接地；所述电阻R32和电阻R33的连接点、电阻R34和电阻R35的连接点分别接入所述放大电路的输入端。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述放大电路包括运放器U803、平衡电阻R31，所述运放器U803的正向输入端接入电阻R34和电阻R35的连接点，运放器U803的反向输入端接入电阻R32和电阻R33的连接点；平衡电阻R31的一端连接运放器U803的反向输入端，平衡电阻R31的另一端连接运放器U803的输出端；所述运放器U803的输出端连接至PID控制器。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述精度控制电路包括电阻R716、电阻R718、电阻R713、电阻R711，所述PID控制器的第二输出端连接至电阻R716的一端，电阻R716的另一端连接电阻R718的一端，电阻R718的另一端接地，电阻R713的一端接入电阻R716和电阻R718的连接点；
所述PID控制器的第一输出端连接至电阻R711，电阻R711的另一端和电阻R713的另一端连接切换电路。
所述PID控制器向切换电路输出的PID计算结果通过TEC_SW1和TEC_SW2输入，根据PID计算结果的符号控制由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4组成的切换电路的电流方向。
一种低成本的数字高精度波长控制方法，包括以下步骤：
电桥电路和放大电路对接入的热敏电阻输出的温度反馈值进行放大和线性变换后输出至PID控制器；
PID控制器对接收到的温度反馈值进行PID计算，计算后向切换电路输出PID计算结果，并将该PID计算结果转换为DAC信号输出至精度控制电路；
切换电路根据PID控制器输出的PID计算结果的符号，切换工作电流的方向，从而对激光器进行加热或制冷的切换；
精度控制电路根据PID控制器输出的DAC信号，调节切换电路的工作电流大小，从而使得切换电路调节对激光器进行加热或制冷的功率。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述电桥电路和放大电路对接入的热敏电阻输出的温度反馈值进行放大和线性变换后输出至PID控制器的步骤，包括：
所述电桥电路的电阻R32、电阻R34接入参考电压Vref，电阻R33接入热敏电阻RTH，所述放大电路的运放器U803的正向输入端接入电阻R34和电阻R35的连接点，运放器U803的反向输入端接入电阻R32和电阻R33的连接点；
电桥电路对热敏电阻RTH的阻值进行计算，得到热敏电阻RTH的阻值与温度的关系；根据热敏电阻RTH的阻值与温度的关系，放大电路对运放器U803的输出电压Vout1进行计算，从而得到热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系，并将热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系发送至PID控制器进行PID计算。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述电桥电路对热敏电阻RTH的阻值进行计算，得到热敏电阻RTH的阻值与温度的关系；根据热敏电阻RTH的阻值与温度的关系，放大电路对运放器U803的输出电压Vout1进行计算，从而得到热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系的步骤，包括：
计算热敏电阻RTH的阻值与温度的关系：
式(1)中T为热敏电阻RTH的阻值为RTH时的开尔文温度，β为热敏电阻RTH的温度系数，TR为热敏电阻RTH的阻值为RR时的开尔文温度，其中RR＝10000Ω，TR＝-273+25K；
计算电阻R33的阻值参数：
式(2)中RLOW为RTH在最低工作温度TLOW时的阻值，RHIGH为RTH在最高工作温度THIGH时的阻值，RMID为RTH在平均工作温度TMID时的阻值，其中
计算电阻R32的阻值参数：
R32＝R33+RMID(3)
计算放大电路中平衡电阻R31的阻值参数：
根据式(2)、(3)、(4)计算得到的电阻R33、电阻R32、电阻R31的阻值，获取参考电压Vref，计算出热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系：
式(5)中RTH为热敏电阻的温度为T时的阻值。
更进一步地，为了更好的实现本发明，PID控制器对接收到的温度反馈值进行PID计算，计算后向切换电路输出PID计算结果，并将该PID计算结果转换为DAC信号输出至精度控制电路的步骤，包括：
所述PID计算结果为16bit的有符号数；
将该PID计算结果通过切换电路的TEC_SW1和TEC_SW2输入至切换电路；
并将所述PID计算结果转换为两路DAC信号，分别为第一DAC信号、第二DAC信号，将第一DAC信号通过第一输出端发送至精度控制电路，将第二DAC信号通过第二输出端发送至精度控制电路。
更进一步地，为了更好的实现本发明，所述切换电路根据PID控制器输出的PID计算结果的符号，切换工作电流的方向，从而对激光器进行加热或制冷的切换的步骤，包括：
当PID控制器向切换电路输出的PID计算结果的符号为负时，切换电路的工作电流方向为TEC-流向TEC+，使得切换电路对激光器进行加热；
当PID控制器向切换电路输出的PID计算结果的符号为正时，切换电路的工作电流方向为TEC+流向TEC-，使得切换电路对激光器进行制冷。
更进一步地，为了更好的实现本发明，精度控制电路根据PID控制器输出的DAC信号，调节切换电路的工作电流大小，从而使得切换电路调节对激光器进行加热或制冷的功率的步骤，包括：
所述PID控制器通过电阻R711输出第一DAC信号，通过电阻R716输出第二DAC信号，所述第一DAC信号对输出至切换电路的电压进行粗调，所述第二DAC信号对输出至切换电路的电压进行细调，其中所述第二DAC信号对电压的调节精度为第一DAC信号的128倍；
所述电阻R716、电阻R715、电阻R713、电阻R711的阻值比例关系为：
所述第二DAC信号经电阻R716、电阻R715扩展后的分辨率比第一DAC信号经电阻R711、R713扩展后的分辨率高7bit，因此分辨率为12bit的第一DAC信号和12bit的第二DAC信号组合构成一个分辨率为19bit的DAC信号输出至切换电路，从而提高对切换电路的电压调节精度，使得切换电路提高对激光器进行加热或指令的功率调节精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本方案使用电桥电路和放大电路对热敏电阻的温度反馈值做放大和线性变换，得到热敏电阻的温度和放大电路输出电压的关系，PID控制器根据预设的温度值与经过线性变换和放大处理的温度反馈值进行PID计算，避免通常使用硬件电路对激光器的工作温度进行控制带来的复杂性。相比现有的小电压范围对应调节大温度范围的方式，通过对热敏电阻的电压信号进行放大和线性变换，从而提高对激光器温度的检测精度，PID控制器对激光器的工作温度进行计算和分析后，直接得出控制和调节的策略，对激光器的温度控制进行加热或制冷；并且同时通过两路12bit的DAC信号扩展为一路19bit的DAC信号，进一步提高了精度控制电路对切换电路电压调节的精度，从而提高切换电路对激光器温度控制的精度，使得对激光器的工作温度控制更加精准，以提高激光器波长控制的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明电桥电路和放大电路原理图；
图2为本发明精度控制电路原理图；
图3为本发明切换电路原理图；
图4为现有技术温度检测的电路图；
图5(a)为实施例1中热敏电阻的阻值和温度关系的曲线示意图；
图5(b)为实施例1中热敏电阻的温度与放大电路输出电压Vout1关系的曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，一种低成本的数字高精度波长控制电路，包括电桥电路、放大电路、PID控制器、精度控制电路、切换电路，所述电桥电路接入热敏电阻，由于热敏电阻的温度与激光器的温度成线性关系，因此首先需要使用电桥电路对热敏电阻的温度值输出一个差分电压信号作为温度反馈值输出至放大电路，方法电路将热敏电阻的阻值和温度的关系转换为温度和输出电压的关系，从而得到激光器的温度与放大电路输出电压的关系，然后PID控制器对温度与电压的关系进行PID计算，分析激光器的当前工作温度是否与预设的温度值相同，所述预设的温度值为激光器所需的工作温度值，并将计算的结果分别发送至精度控制电路和切换电路，通过控制切换电路的电流方向来控制对激光器进行加热或制冷，通过精度控制电路来控制切换电路的工作电流大小，从而调节对激光器进行加热或制冷的功率。
本方案使用电桥电路和放大电路对热敏电阻的温度反馈值做放大和线性变换，得到热敏电阻的温度和放大电路输出电压的关系，提高对激光器工作温度的检测监督，PID控制器对热敏电阻的温度和放大电路的输出电压进行PID计算，避免通常使用硬件电路对激光器的工作温度进行计算时电路带来的复杂性，PID控制器对激光器的工作温度进行计算和分析后，直接得出控制和调节的策略，所述切换电路根据PID控制器的计算结果改变电流方向，从而切换对激光器进行加热或制冷，并且所述精度控制电路根据PID控制器输出的策略结果，进一步提高了对切换电路电压调节的精度，相比现有的小电压范围对应大温度范围的方式，通过提高切换电路电压调节精度，从而提高对激光器温度控制的精度，使得对激光器的工作温度控制更加精准，以提高激光器波长控制的准确性。
详细来说：
如图1所示，所述电桥电路包括电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35，所述电阻R32的一端、电阻R34的一端共同接入参考电压Vref，电阻R33的一端接入热敏电阻，电阻R33的另一端与电阻R32的另一端连接，电阻R34的另一端与电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端接地；所述电阻R32和电阻R33的连接点、电阻R34和电阻R35的连接点分别接入所述放大电路的输入端。所述电桥电路同时接入热敏电阻的电压和参考电压Vref，对热敏电阻的阻值进行计算，得到热敏电阻的阻值与温度的关系。
如图1所示，所述放大电路包括运放器U803、平衡电阻R31，所述运放器U803的正向输入端接入电阻R34和电阻R35的连接点，运放器U803的反向输入端接入电阻R32和电阻R33的连接点；反馈电阻R31的一端连接运放器U803的反向输入端，电阻R31的另一端连接运放器U803的输出端；所述运放器U803的输出端连接至PID控制器。所述放大电路根据电桥电路发送的热敏电阻的阻值与温度的关系，对运放器U803输出的电压Vout1进行计算，从而得到热敏电阻的温度与放大电路输出电压Vout1的关系，并将其发送至PID控制器。
所述PID控制器接收放大电路发送的温度反馈值，并对其进行PID计算后，分析出激光器当前的工作温度，判断激光器的工作温度是否与预设的温度值相同，并向切换电路输出PID计算结果的符号，以及向精度控制电路分别发送第一DAC信号和第二DAC信号。其中放大电路向PID控制器发送的所述温度反馈值为热敏电阻的温度与放大电路输出电压Vout1的计算关系。
如图2所示，所述精度控制电路包括电阻R716、电阻R718、电阻R713、电阻R711，所述PID控制器的第二输出端连接至电阻R716的一端，电阻R716的另一端连接电阻R718的一端，电阻R718的另一端接地，电阻R713的一端接入电阻R716和电阻R718的连接点；所述PID控制器的第一输出端连接至电阻R711，电阻R711的另一端和电阻R713的另一端连接输出电压控制电路。
所述切换电路根据PID控制器输出的PID计算结果的符号，切换工作电流方向。如图3所示，所述PID控制器向切换电路输出的PID计算结果通过TEC_SW1和TEC_SW2输入，根据PID计算结果的符号控制由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4组成的切换电路的电流方向。当PID计算结果的符号为负时，说明PID控制器计算得到激光器的工作温度低于所需的工作温度值，控制切换电路的工作电流方向为TEC-流向TEC+，使得切换电路对激光器进行加热；当PID计算结果的符号为正时，说明PID控制器计算得到激光器的工作温度高于所需的工作温度值，控制切换电路的工作电流方向为TEC+流向TEC-，使得切换电路对激光器进行制冷。
所述PID控制器的第一输出端向精度控制电路输出第一DAC信号，PID控制器的第二输出端向精度控制电路输出第二DAC信号，所述第二DAC信号经电阻R716、电阻R715扩展后的分辨率比第一DAC信号经电阻R711、R713扩展后的分辨率高7bit，因此分辨率为12bit的第一DAC信号和12bit的第二DAC信号组合构成一个分辨率为19bit的DAC信号输出至切换电路，从而提高对切换电路的电压调节精度，使得切换电路提高对激光器进行加热或指令的功率调节精度。
基于上述控制电路，本发明还提出一种低成本的数字高精度波长控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：电桥电路和放大电路对接入的热敏电阻输出的温度反馈值进行放大和线性变换后输出至PID控制器。
所述电桥电路的电阻R32、电阻R34接入参考电压Vref，电阻R33接入热敏电阻RTH，所述放大电路的运放器U803的正向输入端接入电阻R34和电阻R35的连接点，运放器U803的反向输入端接入电阻R32和电阻R33的连接点；
电桥电路对热敏电阻RTH的阻值进行计算，得到热敏电阻RTH的阻值与温度的关系；根据热敏电阻RTH的阻值与温度的关系，放大电路对运放器U803的输出电压Vout1进行计算，从而得到热敏电阻的温度与放大电路输出电压Vout1的关系，并将热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系发送至PID控制器进行PID计算。
详细来说，首先计算热敏电阻RTH的阻值与温度的关系：
式(1)中T为热敏电阻RTH的阻值为RTH时的开尔文温度，β为热敏电阻RTH的温度系数，TR为热敏电阻RTH的阻值为RR时的开尔文温度，其中RR＝10000Ω，TR＝-273+25K。如图5(a)所示进而得到热敏电阻RTH的阻值与温度的关系曲线示意图。
计算电阻R33的阻值参数：
式(2)中RLOW为RTH在最低工作温度TLOW时的阻值，RHIGH为RTH在最高工作温度THIGH时的阻值，RMID为RTH在平均工作温度TMID时的阻值，其中
计算电阻R32的阻值参数：
R32＝R33+RMID(3)
计算放大电路中反馈电阻R31的阻值参数：
根据式(2)、(3)、(4)计算得到的电阻R33、电阻R32、电阻R31的阻值，获取参考电压Vref，计算出热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1的关系：
式(5)中RTH为热敏电阻的温度为T时的阻值。如图5(b)所示进而得到热敏电阻RTH的温度与放大电路输出电压Vout1关系的曲线示意图。
本步骤通过电桥加放大电路的方式对温度监控反馈值做线性变换和放大，将热敏电阻的阻值与温度关系转换为热敏电阻的温度与放大电路输出电压Vout1的关系，并将热敏电阻的温度与放大电路输出电压的关系发送至PID控制器对激光器的工作温度进行计算和分析。
步骤S2：PID控制器对接收到的温度反馈值进行PID计算，计算后向切换电路输出PID计算结果，并将该PID计算结果转换为DAC信号输出至精度控制电路。
所述PID计算结果为16bit的有符号数，将该PID计算结果通过切换电路的TEC_SW1和TEC_SW2输入至切换电路。并将所述PID计算结果转换为两路DAC信号，分别为第一DAC信号、第二DAC信号，将第一DAC信号通过第一输出端发送至精度控制电路，将第二DAC信号通过第二输出端发送至精度控制电路。
步骤S3：切换电路根据PID控制器输出的PID计算结果的符号，切换工作电流的方向，从而对激光器进行加热或制冷的切换。
当PID控制器向切换电路输出的PID计算结果的符号为负时，切换电路的工作电流方向为TEC-流向TEC+，使得切换电路对激光器进行加热；当PID控制器向切换电路输出的PID计算结果的符号为正时，切换电路的工作电流方向为TEC+流向TEC-，使得切换电路对激光器进行制冷。
步骤S4：精度控制电路根据PID控制器输出的DAC信号，调节切换电路的工作电流大小，从而使得切换电路调节对激光器进行加热或制冷的功率。
所述PID控制器通过电阻R711输出第一DAC信号，通过电阻R716输出第二DAC信号，所述第一DAC信号对输出至切换电路的电压进行粗调，所述第二DAC信号对输出至切换电路的电压进行细调，其中所述第二DAC信号对电压的调节精度为第一DAC信号的128倍；
所述电阻R716、电阻R715、电阻R713、电阻R711的阻值比例关系为：
所述第二DAC信号经电阻R716、电阻R715扩展后的分辨率比第一DAC信号经电阻R711、R713扩展后的分辨率高7bit，因此分辨率为12bit的第一DAC信号和12bit的第二DAC信号组合构成一个分辨率为19bit的DAC信号输出至切换电路，从而提高对切换电路的电压调节精度，使得切换电路提高对激光器进行加热或指令的功率调节精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易向到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
