一种基于四象限探测器的温度自动控制系统
技术领域
本实用新型涉及激光光通信设备技术领域，尤其涉及一种基于四象限探测器的温度自动控制系统。
背景技术
随着全球经济的快速发展，空间探测技术迅猛发展，航天活动也越来越频繁。卫星激光通信具有通信容量大、传输距离远、保密性强等优点及其结构轻便，设备经济，已发展为建设空间信息高速公路不可替代的手段，也是当前国际信息领域的前沿科学技术。
现在随着各种星间通信、星地通信的快速发展，APD作为半导体芯片探测器，在弱光探测和应用方面越来越广泛；其在很大光谱范围700～1100nm内具有较高的量子效率(7O～9O％)；对入射光强度的线性响应动态范围强；并容易做成多像素探测器，且体积小，抗磁抗震；已在核医学成像、光纤信号读出、等离子体激光散射实验、宇航试验中离化粒子轨迹探测、卫星远距激光通信等方面成功应用，相信随着APD性能的不断提高，APD将在弱光探测领域发挥越来越大的作用。
由于APD工作是利用半导体材料的倍增效应来将接收到的光信号转为电流信号，其倍增因子和环境温度密切相关，如若工作温度变化较大，则其倍增因子就会漂移，信号增益就会不稳定，导致产品系统工作不稳定，如果变化过大甚至会损坏APD器件；为了得到稳定的倍增因子即最佳的工作偏压，必须对APD的工作温度进行相应控制。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于四象限探测器的温度自动控制系统，解决现有激光通信终端在实际应用过程由于环境温度的变化造成APD工作状态不稳定问题，突破常规对整个系统进行温度管理，采用单个分立器件进行温控管理的精细化操作方式。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种基于四象限探测器的温度自动控制系统，包括四象限探测器和与四象限探测器相连的温度负反馈闭环控制电路；所述温度负反馈闭环控制电路包括负温度系数热敏电阻、热电制冷器和温度驱动管理模块；所述热电制冷器和负温度系数热敏电阻贴装在四象限探测器的外表面，所述负温度系数热敏电阻延长线端连接温度驱动管理模块的输入端，温度驱动管理模块的输出端连接热电制冷器。
进一步地，所述温度驱动管理模块包括偏差电路、基准电压电路、PID补偿电路、PWM和FET驱动电路和场效应管，负温度系数热敏电阻依次连接偏差电路、PID补偿电路、PWM和FET驱动电路和场效应管，场效应管连接热电制冷器，基准电压电路与偏差电路相连接，负温度系数热敏电阻将温度信号转换为电阻值，与设定的电阻值通过偏差电路输入至PID补偿电路，PWM和FET驱动电路用于控制场效应管开关及切换，驱动热电制冷器制冷或加热。
进一步地，还包括与基准电压电路相连的电位器，用于设定温度控制基准电压VBASE，所述偏差电路包括跟随器U3、跟随器U4、差分放大电路U5和放大器U6，基准电压VBASE经过跟随器U3后进入差分放大电路U5；负温度系数热敏电阻器监测的温度信号VTR1依次经跟随器U4和差分放大电路U5，VBASE与VTR1进行差分后放大；所述PID补偿电路由电阻R33、电容C22、电阻R35、电容C23、电阻R34和电容C24组成，所述电阻R33与电容C22串联后与电阻R35并联，一端连接差分放大电路U5的输出端，另一端连接放大器U6的输入端，电容C23与电阻R34串联后与电容C24并联，一端连接放大器U6的输入端，另一端连接放大器U6的输出端，用于补偿偏差电压值对目标信号引起的相位延迟。
进一步地，所述PID补偿电路输出电压VPID与参考电压1.5VREF比较，用于控制热电制冷器工作电流的大小与方向；当VPID＞VREF时，经放大器U6放大输出电压VTEC为负，通过PWM和FET驱动电路驱动热电制冷器一端电压大于另外一端电压；当VPID＜VREF时，经放大器U6放大输出电压VTEC为正，通过PWM和FET驱动电路控制热电制冷器的电流方向。
进一步地，还包括与PWM和FET驱动电路相连的限流限压电路，用于设置最大正负方向电压电流值。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
对APD工作环境温度监测管理，保证APD的工作温度保持在比较稳定范围内，避免由于APD温度的剧烈变化引起的产品不稳定甚至损伤，大大提高设备对不同环境的适用性和稳定性；
通过热电制冷器对APD进行温度管控，高效节能并可方便贴装在电路板的任意空旷区域，对区域温度进行加热或者制冷；
相较传统的光接收前端产品，增加TEC温度监控管理及驱动控制，可根据实际应用需求设定温度点，TEC工作电压和电流，实现APD工作环境温度的自动控制。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1为本实用新型提出的一种基于四象限探测器的温度自动控制系统的原理框图；
图2为本实用新型提出的一实施例于四象限探测器的温度自动控制系统的温度负反馈闭环控制电路；
图3为本实用新型提出的一实施例基于四象限探测器的温度自动控制系统的局部电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“APD”、“TEM”、“TEC”、“NTC”、“PID”、“MAXV/MAXIN/MAXIP”等指示的属于或定义为基于附图所示的逻辑关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的逻辑关系，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“参考电压”、“线性比例”、“倍增因子”、“稳定系数”等术语应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示，本实用新型的一种基于四象限探测器的温度自动控制系统，包括四象限探测器APD和与四象限探测器相连的温度负反馈闭环控制电路；其中，温度负反馈闭环控制电路包括负温度系数热敏电阻NTC、热电制冷器TEC和温度驱动管理模块TEM；热电制冷器和负温度系数热敏电阻贴装在四象限探测器的外表面，负温度系数热敏电阻延长线端连接温度驱动管理模块的输入端，温度驱动管理模块的输出端连接半导体制冷器。
APD即雪崩光电二极管，属于一种光电传感器，必须在较高的雪崩电压(一般200V～500V范围)附近工作才能有效的进行光电转化，表征的关键参数即为倍增因子M；倍增因子M和工作电压成一定的线性比例关系；不同的电压对应不同的M值。倍增因子M随着工作环境温度变化而变化，在实际应用中，为了维持APD探测信号的稳定性，即维持稳定的M值，必须对其工作电压进行一定的温度补偿。一般APD温度系数约2V～5V/℃，即温度每变化1℃其相应工作电压最大变化5V。
其中，温度驱动管理模块包括偏差电路、基准电压电路、PID补偿电路、PWM和FET驱动电路和场效应管，负温度系数热敏电阻依次连接偏差电路、PID补偿电路、PWM和FET驱动电路和场效应管，场效应管连接热电制冷器，基准电压电路与偏差电路电连接，负温度系数热敏电阻将温度信号转换为电阻值，与设定的电阻值通过偏差电路输入至PID补偿电路，PWM和FET驱动电路用于控制场效应管开关及切换，驱动热电制冷器制冷或加热。
作为本实用新型的一实施例，如图2所示，还包括与偏差电路相连的电位器，用于设定温度的基准电压VBASE，偏差电路包括跟随器U3、跟随器U4、差分放大器U5和放大器U6，基准电压VBASE连接FB+经过跟随器U3后进入差分放大电路U5；负温度系数热敏电阻器监测的温度信号VTR1依次经跟随器U4和差分放大电路U5，基准电压VBASE与温度信号VTR1进行差分后放大。PID补偿电路由电阻R33、电容C22、电阻R35、电容C23、电阻R34和电容C24组成，其中，电阻R33与电容C22串联后与电阻R35并联，一端连接差分放大器U5的输出端，另一端连接放大器U6的输入端，电容C23与电阻R34串联后与电容C24并联，一端连接放大器U6的输入端，另一端连接放大器U6的输出端，用于补偿偏差电压值对目标信号引起的相位延迟。其中，电容C23、电阻R34和电容C24控制网络积分参数以消除系统偏差，电阻R33、电容C22和电阻R35控制网络微分参数以克服系统震荡，电阻R34和电阻R35决定网络比例参数也用以消减信号偏差。
当目标物体的温度高于设定值时，PWM和FET驱动电路控制OS1/OS2场效应管向热电制冷器TEC制冷的方向输出一定幅值的驱动电流；当目标物体的温度降低时，减小电流输出，甚至反转电流方向。
PID补偿电路输出电压VPID与外部电源设置的参考电压VREF比较，用于控制热电制冷器工作电流的大小与方向；当VPID＞VREF时，经放大器U6放大输出电压VTEC为负，通过PWM和PET驱动电路驱动热电制冷器TEC一端电压大于另外一端电压；当VPID＜VREF时，经放大器U6放大输出电压VTEC为正，通过PWM和PET驱动电路驱动热电制冷器TEC一端电压小于另外一端电压；通过PWM和FET驱动电路控制热电制冷器TEC的电流方向，电压差值控制热电制冷器TEC制冷或加热电流的大小。经过加热或制冷后的TEC温度有了变化，此变化信号再经负温度系数热敏电阻实时传递至温度负反馈闭环控制电路，进行实时跟踪调整，构成一个闭环的自动温度控制回路。
在实际应用中需对热电制冷器工作的最大电压及电流进行限制，否则会被损坏，还包括与PWM和FET驱动电路相连的限流限压电路，用于设置最大正反方向电压电流值。
如图3所示，PWM和FET驱动电路的端口MAXV可以设置TEC工作时两端的最大电压差，端口MAXIP/MAXIN可以设置TEC工作时通过的正反向最大直流电流；电阻R52和R53组成电压分压网络，电阻R52一端接入1.5VREF参考电压，另一端分别连接电阻R53和端口MAXV，电阻R53的另一端接地，电阻R52和电阻R53的阻值大小决定端口MAXV分压大小，此电压经运算处理后输出至PWM SECTION，PWM SECTION输出TEC工作的最大VTEC；同理电阻R51和电阻R55组成的电阻分压网络设置TEC工作时最大直流电流。
当外界环境温度变化引起APD温度变化时，安装在APD表面的NTC将温度变化信号转换为电阻值的变化，与设定的温度电阻值通过偏差电路输入至PID补偿电路，经过PID补偿电路处理后，输入至PWM和FET驱动电路，控制场效应管开关及切换，驱动TEC制冷或加热，从而使APD保持在恒定的温度下工作。
在APD温度控制的过程中，负温度系数热敏电阻实时将温度变化通过电阻阻值变化传递到偏差电路，再通过PWM和FET驱动电路改变TEC工作电流，使得TEC加热或制冷根据温度感应实时调整，直到达到设定的温度值偏差为0后，则减小电流输出甚至关闭电流，使温度保持在设定值。
本实用新型根据APD的工作特性，倍增因子M随着温度变化而变化，随工作电压增加而增加。当APD的工作电压低于雪崩电压VB时，APD的输出噪声很小；当工作电压接近或超过VB时，输出噪声急骤增加。最佳倍增因子就是系统得到最大信噪比时所对应的倍增因子，此时APD的偏置电压即为最佳偏压。根据APD工作环境温度进行监控管理，保证APD的工作温度保持在一个比较稳定的值，保证APD能够以最佳倍增因子状态工作，避免由于APD温度的剧烈变化引起的产品不稳定甚至是APD损伤，大大提高了设备对不同环境的适用性和稳定性。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
