红外单光子探测器精密温控装置

摘要

本发明公开一种红外单光子探测器精密温控电路，电阻R3与电阻R4相连接的一端接地；仪表运算放大器U1的输出端分成两路，一路经过电阻R5和电阻R6分压后输出给单片机，另一路与PID运算模块连接；CMOS型运算放大器U2的输入端与仪表运算放大器U1的输出端口连接；CMOS型运算放大器U2的输出端与D类音频功放模块连接；输入端IN_P与CMOS型运算放大器U2的输出端连接，输入端IN_N为外部基准电压Vref端；输出端OUT_P、和输出端OUT_N用于输出控制信号以控制红外单光子探测器的温度。本发明让TEC既可以工作在制冷状态又可以工作在制热状态，整个温控电路精度可达0.01℃。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于红外单光子探测器精密温控电路，尤其涉及以后总红外单光子探测 器精密温控装置。

背景技术

单光子探测作为一项重要的微弱信号检测技术，在物理学、天文学、化学、生物学、 医学等学科内众多领域均有着十分广泛的应用。目前，量子信息科学的研究中大量采用单光 子作为量子信息的载体，因此单光子探测技术起着至关重要的作用。单光子探测器可以检测 携带量子信息的单光子，并转换为电信号输出，然后通过符合测量、计数等手段提取单光子 所携带的量子信息。

红外单光子探测器在工作时由于器件自身工艺问题当环境温度发生变化时它们会产生一 定的温漂，器件温漂导致了探测器的探测效率发生变化，需要一种精密的温控电路对会发生 温漂的器件进行温控保证探测器的探测效率不受温度影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种红外单光子探测器精密温控装 置。本红外单光子探测器精密温控装置能够对容易产生温漂的器件进行恒温控制，将它们的 工作温度始终控制在一个恒定值并且温控精度要达到0.01℃。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：红外单光子探测器精密温控电路，包 括依次电连接的温度电桥、仪表运算放大模块、PID运算模块和D类音频功放模块；其特征 在于：

所述温度电桥包括电阻R1、电阻2、电阻R3和电阻R4；电阻R4为热敏电阻，电阻R3 为温度平衡电阻；电阻R1、电阻2、电阻R3和电阻R4依次连接形成回路，所述电阻R3与电 阻R4相连接的一端接地；

所述仪表运算放大模块包括仪表运算放大器U1，所述仪表运算放大器U1包括两个输入 端分别和电阻R3的非接地端和电阻R4的非接地端连接；仪表运算放大器U1还包括一个外部 基准电压Vref端和一个输出端；仪表运算放大模块还包括电阻R5和电阻R6；所述仪表运算 放大器U1的输出端分成两路，一路经过电阻R5和电阻R6分压之后，用于输出给单片机实时 显示当前工作温度，另一路与PID运算模块连接；

PID运算模块包括CMOS型运算放大器U2；所述CMOS型运算放大器U2包括一个外部基准 电压Vref端、一个输入端和一个输出端；CMOS型运算放大器U2的输入端与仪表运算放大器 U1的输出端口连接；CMOS型运算放大器U2的输出端与D类音频功放模块连接；

D类音频功放模块包括D类音频功放U3，所述D类音频功放U3包括两个输入端IN_P、 输入端IN_N、输出端OUT_P和输出端OUT_N；输入端IN_P与CMOS型运算放大器U2的输出端 连接，输入端IN_N为外部基准电压Vref端；

输出端OUT_P、和输出端OUT_N用于输出控制信号以控制红外单光子探测器的温度。

进一步的，所述D类音频功放U3还包括温度电路电流检测端和温度电路使能端。

本发明主要由热敏电阻R4和芯片U1、U2、U3组成。热敏电阻R4采用PT1000金属铂电 阻，精度0.01℃、温度范围达±100℃。U1是仪表运算放大器，具有增益大、精度高、稳定 性强等优点。U2是一款CMOS型运算放大器，具有输出范围大、增益高等特点，同时也是PID 电路的核心器件。U3是一款D类音频功放芯片，具有极低的输出阻抗和较大的拉电流能力， 最大输出功率可达40W，另外芯片U3还具备电流检测功能和双向驱动的优势，实现了对整个 制冷电路工作电流的实时监测和TEC制冷制热的双向控制。

电阻R4是热敏电阻PT1000，用它来采样被温控器件的工作温度。电阻R3是温度平衡电 阻，它的阻值就是被温控器件温度达到设定温度时PT1000所对应的电阻值，热敏电阻R4和 温度平衡电阻R3以及另外两个电阻R1、R2，这四个电阻组成了一个温度电桥，电桥的两个 输出端分别是热敏电阻PT1000实时采样到的温度经电桥转换成的电压值和温度平衡电阻在 电桥里面的分压值，当两者压差不等于0时，说明被温控器件的温度还未达到或者已经超过 设定温度值，需要TEC进行制冷或者制热。

芯片U1是一款仪表运算放大器，左侧两个引脚即为仪表运算放大器的差分输入端，右侧 两个引脚分别是仪表运算放大器外部基准电压Vref和输出端。热敏电阻PT1000采样到的温 度经电桥转换成的电压值和温度平衡电阻在电桥里面的分压值分别输入到U1的输入端，U1 将两者的压差进行放大之后输出。假设U1的输入引脚压差为Vin，U1的放大倍数为Au，那 么U1的输出电压Vo＝Vref+Vin*Au，当被温控器件的工作温度达到设定温度时，则温度电桥 平衡，Vin就等于0，此时U1的输出电压Vo就等于Vref，温度平衡电压即为Vref。U1输出 电压被分成两路输出，第一路是经过电阻R5和电阻R6分压之后输出给单片机实时显示当前 工作温度，第二路则是直接输出到芯片U2。

芯片U2是一款CMOS型运算放大器，它是PID电路的核心控制器件，U2的左侧分别是 它的输入端和外部基准电压Vref(和U1共用同一个基准电压)，该电压即为温度平衡电压。 当被控器件温度未达到设定温度时，即U1的输出电压Vo不等于Vref，PID电路将U1的输出 电压Vo和温度平衡电压Vref之间的差值进行比例、微分和积分运算，运算之后的电压从U2 的右侧引脚输出给D类音频功放芯片U3。当被控器件温度达到设定工作温度时，即U1的输 出电压Vo等于Vref，此时它和温度平衡电压Vref之间的差值是0，所以经过比例、微分和 积分运算之后U2的输出电压依然是Vref。

芯片U3是一款D类音频功放芯片，芯片左侧分别是两个输入端IN_P、IN_N，U3是将这 两脚之间的压差进行放大之后从右侧OUT_P、OUT_N两个引脚输出，假设U3的IN_P脚的输入 电压为Vp，IN_N脚的输入电压为Vn，右侧输出引脚OUT_P输出电压为Voutp，OUT_N输出电 压为Voutn。当Vp>Vn时，则Voutp>Voutn，U3输出为正电流；当Vp<Vn时，则Voutp<Voutn， U3输出为负电流；当Vp＝Vn时，则Voutp＝Voutn，U3输出电流为0。

因为U3的输入端IN_P脚电压Vp即为芯片U2的输出电压，IN_N脚电压Vn即为温度平 衡电压Vref，所以当Vp>Vref时，说明被控器件温度已超过设定温度需要TEC进行制冷降温， 此时芯片U3输出正电流，TEC制冷降温。当Vp<Vref时,说明被控器件温度低于设定温度需 要TEC进行升温制热，此时芯片U3输出负电流，TEC制热升温。当Vp＝Vref时,说明被控器 件温度已达到设定温度不需要TEC工作，此时芯片U3输出电流为0，TEC停止工作。

芯片U3下方两个管脚分别具有电流检测和使能功能。电流检测管脚是当TEC损坏或者 芯片U3工作不正常导致温控电路电流变大时，输出一个高电平反馈给单光子探测器的控制系 统，系统则可以通过此管脚关闭温控电路以避免芯片损坏。电路使能管脚，可以通过设置高 低电平来关闭或者开启温控电路，已达到智能控制。

本发明利用高精密金属铂热敏电阻PT1000对器件实时温度采样，采集回来的温度信号和 设定温度值进行比较，若采样温度大于设定值则说明器件温度过高需要降温，利用半导体制 冷器(以下简称TEC)对器件进行制冷，反之则制热。由于温度存在惯性，所以整个控制过 程采用硬件PID电路实现闭环控制，精度高、稳定性强。

总之，本发明基于硬件PID电路对整个温度采样过程进行闭环控制，利用D类音频功放 芯片的双向工作特性让TEC既可以工作在制冷状态又可以工作在制热状态，整个温控电路精 度可达0.0.1℃。

附图说明

图1为本发明的电路模块示意图。

图2为本发明的电路结构示意图。

下面结合附图对本具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

参见图1和图2，本红外单光子探测器精密温控电路，包括依次电连接的温度电桥、仪 表运算放大模块、PID运算模块和D类音频功放模块；所述温度电桥包括电阻R1、电阻2、 电阻R3和电阻R4；电阻R4为热敏电阻，电阻R3为温度平衡电阻；电阻R1、电阻2、电阻 R3和电阻R4依次连接形成回路，所述电阻R3与电阻R4相连接的一端接地；所述仪表运算 放大模块包括仪表运算放大器U1，所述仪表运算放大器U1包括两个输入端分别和电阻R3的 非接地端和电阻R4的非接地端连接；仪表运算放大器U1还包括一个外部基准电压Vref端和 一个输出端；仪表运算放大模块还包括电阻R5和电阻R6；所述仪表运算放大器U1的输出端 分成两路，一路经过电阻R5和电阻R6分压之后，用于输出给单片机实时显示当前工作温度， 另一路与PID运算模块连接；PID运算模块包括CMOS型运算放大器U2；所述CMOS型运算放 大器U2包括一个外部基准电压Vref端、一个输入端和一个输出端；CMOS型运算放大器U2 的输入端与仪表运算放大器U1的输出端口连接；CMOS型运算放大器U2的输出端与D类音频 功放模块连接；D类音频功放模块包括D类音频功放U3，所述D类音频功放U3包括两个输入 端IN_P、输入端IN_N、输出端OUT_P和输出端OUT_N；输入端IN_P与CMOS型运算放大器U2 的输出端连接，输入端IN_N为外部基准电压Vref端；输出端OUT_P、和输出端OUT_N用于 输出控制信号以控制红外单光子探测器的温度。所述D类音频功放U3还包括温度电路电流检 测端和温度电路使能端。