CN102545608A - 一种恒流源驱动电路以及半导体制冷器控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒流源驱动电路以及基于该恒流源驱动电路的用于CCD相机的半导体制冷器控制***，该恒流源驱动电路包括分压电路、积分电路、功率场效应管以及电流采样电阻；分压电路的输出端接入积分电路；积分电路的输入端和功率场效应管的源极相连；积分电路的输入端和电流采样电阻相连；所述积分电路的输出端与功率场效应管的栅极相连。本发明提供了一种能够准确控制半导体制冷器的驱动电流，进而精确调节制冷量的半导体制冷器控制***。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种恒流源驱动电路以及基于该恒流源驱动电路的用于CCD相机的半导体制冷器控制***。
背景技术
CCD(电荷耦合器件，Charge Coupled Device)是二十世纪七十年代初发展起来的新型半导体图像传感器。由于CCD具有自扫描、灵敏度高、噪声低、动态范围大、量子效率高、电荷转移效率高、光谱响应范围宽等突出优点，故广泛应用于航空航天、武器装备、天文观测、工业监控、非接触测量等领域。
为了提高CCD相机的信噪比，首先要解决的问题就是降低CCD本身的噪声。暗电流噪声是CCD的主要噪声，来源于半导体的热激发，随着CCD温度的降低，暗电流以指数递减，当CCD温度降至-30℃～-50℃时，暗电流基本可以忽略不计。因此，为了有效抑制暗电流噪声，必须对CCD采取制冷措施。
半导体制冷器以帕尔贴(Peltier)效应为工作原理，由安装在两片绝缘陶瓷之间的N型、P型半导体热电堆和金属电极组成，其组成结构如图1所示。在半导体制冷器的材料特性和几何尺寸一定的情况下，其制冷量仅与驱动电流有关。
由于半导体制冷器具有体积小、结构简单、无制冷工质、无运动部件和制冷迅速等诸多优点，广泛应用于CCD相机制冷领域。
目前，用于CCD相机的半导体制冷器驱动电路主要包括：甲乙类互补对称功率驱动电路和脉宽调制式(PWM)功率驱动电路。甲乙类互补对称功率驱动电路主要由前置放大级和大功率NPN、PNP三极管构建的互补输出级组成；脉宽调制式(PWM)功率驱动电路主要由MOSFET驱动电路和功率MOSFET组成。
上述两种功率驱动电路的缺点在于：
无法准确控制半导体制冷器的驱动电流，进而不能精确调节半导体制冷器的制冷量，导致CCD温度控制的过渡过程长、温度超调量大、稳态误差大；
甲乙类互补对称功率驱动电路的电路复杂、元器件的参数选取和调试困难；
脉宽调制式(PWM)功率驱动电路的功率MOSFET工作电流大、开关频率高，对CCD及焦面电路产生较强干扰，导致CCD相机信噪比下降。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能够准确控制半导体制冷器的驱动电流，进而精确调节制冷量的半导体制冷器控制***。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种恒流源驱动电路，其特殊之处在于：所述恒流源驱动电路包括分压电路、积分电路、功率场效应管以及电流采样电阻；所述分压电路的输出端接入积分电路；所述积分电路的输入端和功率场效应管的源极相连；所述积分电路的输入端和电流采样电阻相连；所述积分电路的输出端与功率场效应管的栅极相连。
上述积分电路包括运算放大器、电阻以及电容；所述电流采样电阻通过电阻接入运算放大器的反相输入端；所述电容的一端接入运算放大器的反相输入端，另一端接入运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端与功率场效应管的栅极相连。
上述分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻；所述第二分压电阻与第一分压电阻的公共端和运算放大器的同相输入端相连，所述第二分压电阻的另一端接地。
上述电流采样电阻是绕线电阻。
上述电流采样电阻是阻值0.05欧姆，功率2瓦的绕线电阻。
一种基于恒流源驱动电路的用于CCD相机的半导体制冷器控制***，其特殊之处在于：所述用于CCD相机的半导体制冷器控制***包括中央处理器、D/A转换器、恒流源驱动电路、半导体制冷器、温度传感器、温度信号调理电路以及A/D转换器；所述中央处理器、D/A转换器、恒流源驱动电路、半导体制冷器、温度传感器、温度信号调理电路以及A/D转换器依次相连；所述A/D转换器接入中央处理器；
所述D/A转换器将中央处理器输出的数字温度控制量转换为相应的温度控制电压；
所述恒流源驱动电路接收D/A转换器输出的温度控制电压，精确控制半导体制冷器的驱动电流；
所述温度传感器将CCD的工作温度转换为相应的模拟温度信号；
所述温度信号调理电路对来自温度传感器的CCD模拟温度信号进行调理，使其极性和幅度与A/D转换器的输入极性和量程相匹配；
所述A/D转换器将来自温度信号调理电路的模拟温度信号转换为数字温度信号，再传送给中央处理器。
上述中央处理器是16位DSP处理器TMS320LF2407A；所述D/A转换器是8位D/A转换器AD558；所述温度传感器的型号是AD590；所述A/D转换器是8位8通道A/D转换器AD7828。
本发明的优点是：
本发明提供了一种恒流源驱动电路以及半导体制冷器控制***，该恒流源驱动电路能够准确控制半导体制冷器的驱动电流，实现了对半导体制冷器输出制冷量的精确调节。CCD温度控制的过渡过程短、温度超调量小、稳态误差小，有效降低了CCD的暗电流噪声，提高了CCD相机的信噪比；通过控制恒流源驱动电路的输入电压，实现对半导体制冷器驱动电流的连续、线性调节，对CCD及焦面电路不产生干扰；静态功耗极低；电路简单、元器件参数调整容易。
附图说明
图1是半导体制冷器的组成结构示意图；
图2是本发明所提供的半导体制冷器恒流源驱动电路；
图3是本发明所提供的采用恒流源驱动方式的半导体制冷器控制***示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参见图2，恒流源驱动电路3主要由以下四部分组成：
分压电路：由电阻R1和R2组成；
积分电路：由运算放大器U1、电阻R3和电容C1组成；
功率场效应管Q1，选用IR公司的功率场效应管2N7224；
电流采样电阻R4，选用精密绕线电阻RX906，阻值0.05欧姆，功率2W。
积分电路的输入端与电流采样电阻R4相连；积分电路的输出端(运算放大器U1的输出端)与功率场效应管Q1的栅极相连；功率场效应管Q1的源极与电流采样电阻R4相连；功率场效应管Q1的的漏极与半导体制冷器4相连。
恒流源驱动电路3的工作原理是：恒流源驱动电路3接收来自D/A转换器2的温度控制电压Uin，经电阻R1和R2分压得到运算放大器U1的同相输入端电压U+：
U+＝Uin*R2/(R1+R2) (a)
运算放大器U1的反向输入端电压U-：
U-＝I*R4 (b)
由于运算放大器的同相输入端和反向输入端等电位，即满足：
U+＝U- (c)
综合上述(a)、(b)、(c)三式，即可得到半导体制冷器的驱动电流I：
I＝Uin*R2/((R1+R2)*R4) (d)
从(d)式可以看出，在电阻R1、R2、R4确定的情况下，通过控制温度控制电压Uin即可精确控制半导体制冷器的驱动电流I。
本发明所述的恒流源驱动电路3也可用于需要精确控制工作电流的其它应用领域。
参见图3，本发明提供了一种用于CCD相机的半导体制冷器控制***，该***由中央处理器1、D/A转换器2、恒流源驱动电路3、半导体制冷器4、温度传感器5、温度信号调理电路6和A/D转换器7组成，各组成部分的功能如下：
中央处理器1：温控***的控制核心，选用TI公司的16位DSP处理器TMS320LF2407A；
D/A转换器2：将中央处理器1输出的数字温度控制量转换为相应的温度控制电压，选用ADI公司的8位D/A转换器AD558；
恒流源驱动电路3：接收D/A转换器2输出的温度控制电压，精确控制半导体制冷器的驱动电流；
半导体制冷器4：温控***的执行元件，实现对CCD的制冷；
温度传感器5：温控***的反馈元件，将CCD的工作温度转换为相应的模拟温度信号，选用ADI公司的温度传感器AD590；
温度信号调理电路6：对来自温度传感器5的CCD模拟温度信号进行调理，使其极性和幅度与A/D转换器7的输入极性和量程相匹配；
A/D转换器7：将来自温度信号调理电路6的模拟温度信号转换为数字温度信号，选用ADI公司8位8通道A/D转换器AD7828。
参见图3，半导体制冷器控制***的工作原理是：首先由中央处理器1读取来自A/D转换器7的CCD反馈温度值，与CCD给定温度值进行比较，产生CCD温度偏差值，再经数字PID运算产生8位数字温度控制量并输出至D/A转换器2，D/A转换器2将数字温度控制量转换为相应的温度控制电压Uin并输出至恒流源驱动电路3，恒流源驱动电路3根据温度控制电压Uin对半导体制冷器的驱动电流I进行精确控制，进而准确调节半导体制冷器的输出制冷量，从而实现了恒流源驱动方式下的CCD闭环温度控制。
Claims (7)
1.一种恒流源驱动电路，其特征在于：所述恒流源驱动电路包括分压电路、积分电路、功率场效应管以及电流采样电阻；所述分压电路的输出端接入积分电路；所述积分电路的输入端和功率场效应管的源极相连；所述积分电路的输入端和电流采样电阻相连；所述积分电路的输出端与功率场效应管的栅极相连。
2.根据权利要求1所述的恒流源驱动电路，其特征在于：所述积分电路包括运算放大器、电阻以及电容；所述电流采样电阻通过电阻接入运算放大器的反相输入端；所述电容的一端接入运算放大器的反相输入端，另一端接入运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端与功率场效应管的栅极相连。
3.根据权利要求1所述的恒流源驱动电路，其特征在于：所述分压电路包括第一分压电阻和第二分压电阻；所述第二分压电阻与第一分压电阻的公共端和运算放大器的同相输入端相连，所述第二分压电阻的另一端接地。
4.根据权利要求1或2或3所述的恒流源驱动电路，其特征在于：所述电流采样电阻是绕线电阻。
5.根据权利要求4所述的恒流源驱动电路，其特征在于：所述电流采样电阻是阻值0.05欧姆，功率2瓦的绕线电阻。
6.一种基于权利要求1所述的恒流源驱动电路的用于CCD相机的半导体制冷器控制***，其特征在于：所述用于CCD相机的半导体制冷器控制***包括中央处理器、D/A转换器、恒流源驱动电路、半导体制冷器、温度传感器、温度信号调理电路以及A/D转换器；所述中央处理器、D/A转换器、恒流源驱动电路、半导体制冷器、温度传感器、温度信号调理电路以及A/D转换器依次相连；所述A/D转换器接入中央处理器；
所述D/A转换器将中央处理器输出的数字温度控制量转换为相应的温度控制电压；
所述恒流源驱动电路接收D/A转换器输出的温度控制电压，精确控制半导体制冷器的驱动电流；
所述温度传感器将CCD的工作温度转换为相应的模拟温度信号；
所述温度信号调理电路对来自温度传感器的CCD模拟温度信号进行调理，使其极性和幅度与A/D转换器的输入极性和量程相匹配；
所述A/D转换器将来自温度信号调理电路的模拟温度信号转换为数字温度信号，再传送给中央处理器。
7.根据权利要求6所述的用于CCD相机的半导体制冷器控制***，其特征在于：所述中央处理器是16位DSP处理器TMS320LF2407A；所述D/A转换器是8位D/A转换器AD558；所述温度传感器的型号是AD590；所述A/D转换器是8位8通道A/D转换器AD7828。
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