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近年來(lái)，非制冷紅外探測(cè)器以及由多個(gè)敏感單元構(gòu)成的紅外焦平面陣列在軍事及民用領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。非制冷紅外探測(cè)器工作于室溫下，所以又稱之為室溫紅外探測(cè)器。與制冷型紅外探測(cè)器相比，室溫紅外探測(cè)器最大的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)無(wú)需制冷器，可在常溫下工作，在低成本、低功耗、小型化和可靠性等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，且已顯示出了巨大的市場(chǎng)潛力。UFPA是非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心，決定了系統(tǒng)的性能參數(shù)和成像質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高UFPA的性能，除提高工藝水平外，還需設(shè)計(jì)高質(zhì)量低噪聲的驅(qū)動(dòng)電路，使UFPA處于最佳工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的成像品質(zhì)。 UFPA的結(jié)構(gòu)及工作原理 本電路采用的384×288像素非制冷紅外焦平面器件為ULIS公司生產(chǎn)的非晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)UL03191，其主要由一個(gè)二維微測(cè)輻射熱計(jì)陣列(FPA)和一個(gè)內(nèi)部集成的熱電制冷器(17EC)組成，熱電制冷器通過(guò)對(duì)焦平面溫度的精確控制使焦平面獲得穩(wěn)定的工作溫度。ULO3191殼體外形緊湊，其像感面面積為9.6mm×7.2mm，重量≤25克，像元間距為25μm，最高幀頻100MHz，帶有一個(gè)模擬輸出和一個(gè)數(shù)字輸出。 UL03191采用脈沖電壓偏置，對(duì)紅外輻射進(jìn)行逐行積分，然后將目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；而讀出電路逐點(diǎn)讀出像素電流信號(hào)，并由讀出電路的電容反饋跨導(dǎo)放大器(CTIA)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最終由多路復(fù)用器將經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)逐行輸出。 UFPA的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 非制冷紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提供滿足探測(cè)器正常工作的幾個(gè)偏置電壓，提供MC、INT和RESET等時(shí)序脈沖，以及提供熱電穩(wěn)定器和溫度環(huán)控制的接口信號(hào)。 1、偏置電壓電路的設(shè)計(jì) 為了非制冷紅外焦平面陣列正常工作，驅(qū)動(dòng)UFPA中的讀出電路，保證探測(cè)器熱電穩(wěn)定，并且使UFPA具有較大的動(dòng)態(tài)范圍和較好的NETD性能，偏置電壓電路應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定、精度高、保護(hù)措施嚴(yán)密等特點(diǎn)。 本方案采用多片LTl761-5、LTl761-3.3分別得到5V、3.3V；用LTl761-2.8得到VBUS所需的2.8V電壓；GFID，VSK，GSK均采用LTl-761通過(guò)分流電阻獲得各自所需電壓值。 2、脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 探測(cè)器工作所涉及的時(shí)序不只一個(gè)，幾個(gè)時(shí)序要求同步，所以最理想的方法就是用一個(gè)晶振源通過(guò)可編程邏輯器件產(chǎn)生所需的時(shí)序脈沖。 (1)MC(MasterClock)是對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行操作的基礎(chǔ)，所有操作都在MC的控制下協(xié)作統(tǒng)一。MC控制寄存器進(jìn)行像素尋址。MC的頻率不能高于384×288MHz，且其占空比為50%。MC的上升和下降時(shí)間需低于lOns。 (2)積分脈沖INT(IntegrationPhase)是使ULO3191進(jìn)行每一行像素積分的信號(hào)。當(dāng)INT為高電平時(shí)，允許對(duì)來(lái)自微測(cè)輻射熱計(jì)的一行像元信號(hào)進(jìn)行積分。INT必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，同時(shí)必須是RESET信號(hào)的低電平期間。 (3)RESET信號(hào)能使UL03191復(fù)位，這樣，UL03191就會(huì)從探測(cè)器的有效區(qū)域的第一行開始積分。RESET信號(hào)必須在MC的上升沿改變狀態(tài)，且RESET信號(hào)不能在一幀內(nèi)發(fā)生兩次及以上。RESET信號(hào)時(shí)長(zhǎng)至少為1倍MC時(shí)間，其下降沿必須在INT下降沿之前。 本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128為探測(cè)器提供時(shí)鐘信號(hào)、RESET、積分脈沖INT等信號(hào)。CPLD通過(guò)對(duì)27MHz晶振進(jìn)行4分頻，為MC提供6.75MHz頻率時(shí)鐘。紅外焦平面的有效尺寸為384×288，即384列，288行。這里取紅外圖像的幀頻為50Hz。脈沖時(shí)序的仿真圖如圖3所示。 3、溫度檢測(cè)及控制電路的設(shè)計(jì) 非制冷焦平面熱像儀的“非制冷”是指其可在某個(gè)恒定室溫下工作，而不像低溫制冷型熱像儀那樣工作溫度通常低于200K。而熱敏元件的溫度將直接影響熱像儀的探測(cè)靈敏度和成像性能，只有盡量使探測(cè)器陣列所有像元溫度保持在某個(gè)相同的恒定室溫下，才能從根本上提高熱像儀的探測(cè)靈敏度，抑制由此引起的工作波動(dòng)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的溫控系統(tǒng)是完成高性能非制冷焦平面熱像儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 本方案采用AD公司的ADN8830溫度控制芯片，它是優(yōu)秀的單芯片、高集成度、高輸出效率、高性能的TEC驅(qū)動(dòng)模塊之一。小于0.5%的TEC電流波動(dòng)噪聲，片內(nèi)集成MOSFET，盡量減少了外圍器件，以提高輸出效率，最高可設(shè)定的開關(guān)頻率1MHz，可以設(shè)定最大輸出電壓保護(hù)。ADN-8830溫控電路的控制原理是通過(guò)采樣熱敏電阻上的電壓與傳感器正常工作所設(shè)定的溫度(與電壓值相對(duì)應(yīng))相比較，從而調(diào)整致冷器中流過(guò)的電流的方向和大小來(lái)控制溫度。 ADN8830的溫度設(shè)定輸入由12bit的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD7390提供，使探測(cè)器穩(wěn)定在不同的工作點(diǎn)，擴(kuò)大了探測(cè)器的溫度范圍。 ADN8830輸入橋路的偏值電阻的阻值應(yīng)該按公式(1)計(jì)算： 式(1)中RT1和RT3分別表示熱敏電阻在工作溫度的兩個(gè)上下極限時(shí)的阻值，RT2為熱敏電阻在平均溫度下的值，即RT2=(RT1+RT3)/2。 RT1，RT2和RT3的值通過(guò)查閱熱敏電阻溫度曲線得到，然后計(jì)算出電阻的值。 結(jié)束語(yǔ) 非制冷紅外焦平面陣列的驅(qū)動(dòng)電路是設(shè)計(jì)非制冷紅外焦平面成象組件的重要環(huán)節(jié)。本文采用CPLD產(chǎn)生時(shí)序邏輯驅(qū)動(dòng)，單片TEC芯片ADN-8830調(diào)控UFPA的溫度，結(jié)合高性能低噪聲的偏壓電路，構(gòu)建了非制冷紅外焦平面陣列器件的驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)本方案研制出的驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)了實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用，結(jié)果表明：該電路達(dá)到了理想的效果，具有體積小、實(shí)用性好、可靠性高等特點(diǎn)。 |
