一种全模拟pid tec恒温电路
阅读说明：本技术 一种全模拟pid tec恒温电路 (Full-analog PID TEC constant temperature circuit ) 是由 张月宇 张伟 李德成 蒋鸿鹏 张悦 王磊 周捷 崔文杰 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全模拟PID TEC恒温电路,包括采样模块、输入模块、控制模块、驱动模块、TEC、反馈模块、供电模块,TEC的一端与反馈模块电连接,TEC的另一端与驱动模块电连接,驱动模块和反馈模块均与控制模块电连接,控制模块与输入模块电连接,输入模块与采样模块电连接,供电模块分别与输入模块、控制模块、驱动模块的电源接口端电连接,本发明通过由NPN型三极管、PNP型三极管构成的驱动模块,能够便于对TEC的预定工作端进行制冷/发热的控制,通过控制模块中的PID调节单元和反馈模块的反馈电压,能够较好的消除系统中产生的误差,使系统性能更加稳定。(The invention discloses a full-analog PID TEC constant temperature circuit, which comprises a sampling module, an input module, a control module, a driving module, a TEC, a feedback module and a power supply module, wherein one end of the TEC is electrically connected with the feedback module, the other end of the TEC is electrically connected with the driving module, the driving module and the feedback module are both electrically connected with the control module, the control module is electrically connected with the input module, the input module is electrically connected with the sampling module, and the power supply module is respectively and electrically connected with the input module, the control module and the power interface end of the driving module. Through the PID adjusting unit in the control module and the feedback voltage of the feedback module, errors generated in the system can be eliminated better, and the system performance is more stable.)
技术领域
本发明涉及温度调节技术领域，尤其涉及一种全模拟PID TEC恒温电路。
背景技术
现代光纤通信及光纤传感系统中，激光器及光电转换器需要工作在恒温环境下，这类恒温系统通常采用半导体制冷器(TEC)作为热源/冷源，用脉宽调制技术控制流过TEC的平均电流，这种技术用于激光器、PIN管等时，具有技术成熟，易于调试的优点，但对于雪崩光电二极管(APD)这类高灵敏度的光电转换期间，流过TEC的脉冲电流产生的噪声严重影响性能，甚至无法工作，另外，恒温控制系统需要PID算法，而PID算法至少需要单片机做支撑，使得不具有单片机专业知识的科技人员难以使用该技术，为此提出了本申请。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种全模拟PID TEC恒温电路。
本发明提出的一种全模拟PID TEC恒温电路，包括采样模块、输入模块、控制模块、驱动模块、TEC、反馈模块、供电模块，所述驱动模块包括NPN型三极管QH、PNP型三极管QC，所述NPN型三极管QH的基极和PNP型三极管QC的基极均与控制模块电连接，所述NPN型三极管QH的发射极和PNP型三极管QC的发射极均与TEC的一端电连接，所述TEC的另一端与反馈模块电连接，所述反馈模块与控制模块电连接，所述控制模块与输入模块电连接，所述输入模块与采样模块电连接，所述供电模块分别与输入模块、控制模块、驱动模块的电源接口端电连接。
优选的，所述输入模块包括参考电压源U1、接线端子U2、第一差分放大单元、电压跟随器IC2，其中，所述第一差分放大单元包括运算放大器IC1、可调电阻RV，所述可调电阻RV的接线柱与运算放大器IC1同相输入端电连接，所述可调电阻RV的一端接地，所述运算放大器IC1的反向输入端电连接有一端公共连接的电阻RS1、电阻RS20、电阻RS21，其中，所述电阻RS1的另一端与接线端子U2的输出端电连接，所述电阻RS21的另一端接地，所述电阻RS20的另一端与运算放大器IC1的输出端电连接，所述参考电压源U1的输出端分别与可调电阻RV的另一端、电压跟随器IC2的同相输入端电连接；所述采样模块包括温度传感器ST，所述温度传感器ST与接线端子U2电连接。
优选的，所述控制模块包括相互耦接的第二差分放大单元、PID调节单元、输出单元。
优选的，所述第二差分放大单元包括运算放大器IC3、可调电阻RST、电阻RST1、电阻RST2、电阻RST0，所述运算放大器IC3的同相输入端与可调电阻RST的接线柱电连接，所述可调电阻RST的一端接地，所述可调电阻RST的另一端与电阻RST1电连接并设置有第一公共节点，所述第一公共节点与电压跟随器IC2的输出端电连接，所述电阻RST2的一端接地且另一端与电阻RST1电连接，所述电阻RST2与电阻RST1之间设置有第二公共节点，所述第二公共节点分别与运算放大器IC3的反相输入端、电阻RST0的一端电连接，所述电阻RST0的另一端与运算放大器IC3的输出端电连接。
优选的，所述PID调节单元包括运算放大器IC4、电容C11、电容C9、电容C10、以及电阻R5、电阻R7、电阻R6、电阻R92；
所述电容C11、电阻R7串联后形成PID调节单元微分电路；PID调节单元微分电路与所述电阻R5并联连接成，其中，电阻R5的一端与运算放大器IC4的反相输入端电连接，电阻R5的另一端与运算放大器IC1的输出端电连接；所述R6、C9、C10、R92组成PID调节单元积分电路，所述C9与电阻R6串联，所述电容C10与电阻R6、电容C9形成的串联电路进行并联，所述R92与所述C9并联；且所述PID调节单元积分电路的一端与运算放大器IC4的反相输入端电连接，所述PID调节单元积分电路的另一端与运算放大器IC4的输出端电连接，所述运算放大器IC4同相输入端与运算放大器IC3的输出端电连接；所述PID调节单元微分电路与PID调节单元积分电路串联。
优选的，所述输出单元包括运算放大器IC5和电阻RPIDX、电阻RPIDD，所述电阻RPIDX的一端与运算放大器IC4的输出端电连接，电阻RPIDX的另一端与运算放大器IC5的同相输入端电连接，所述电阻RPIDD的一端接地，电阻RPIDD的另一端与IC5的同相输入端电连接。
优选的，所述NPN型三极管QH的基极和与PNP型三极管QC的基极均与运算放大器IC5的输出端电连接。
优选的，所述反馈模块包括电阻RSMP，所述电阻RSMP的一端接地，电阻RSMP的另一端分别与运算放大器IC5的反相输入端、TEC的另一端电连接。
优选的，所述供电模块具体为标准电压为±5V的双电源。
本发明，所提出的全模拟PID TEC恒温电路，具有以下有益效果：
1、通过设有的驱动模块，能够根据电压的情况自动调节TEC两端的电压，不需要人为参与；
2、输入模块设置有第一差分放大单元，控制模块设置有第二差分放大单元，通过设有的第一差分放大单元和第二差分放大单元，可以较好的消除伴随输入信号进入整个系统的干扰信号，使得TEC的工作状态更加的稳定，同时能够提高器件的使用寿命；
3、通过设有的PID调节单元，能够进一步的消除系统中的误差；
4、反馈模块中的电阻RSMP作为取样电阻可以取样TEC一端的电压值，电阻RSMP能够较好的监测TEC的工作电压状态，并将工作电压值反馈给运算放大器IC5，通过运算放大器IC5来消除整个工作系统的干扰信号。
附图说明
图1为本发明提出的全模拟PID TEC恒温电路的模拟电路结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本实施例提供一种全模拟PID TEC恒温电路，通过温度传感器ST检测外部温度，并通过输入模块、控制模块和驱动模块对TEC的预定工作端进行制冷/发热的控制。
为达到上述技术效果，本实施例中全模拟PID TEC恒温电路的技术方案如下：全模拟PID TEC恒温电路包括采样模块、输入模块、控制模块、驱动模块、TEC、反馈模块、供电模块；
采样模块包括温度传感器ST，在本发明的实施例中，温度传感器ST具体为一个热敏电阻件，温度传感器ST的使用需要与接线端子U2相互配合，接线端子U2为一个封装元件，接线端子U2的内部设置有可接入负载温度传感器ST的工作电路，工作电路的电能由供电模块的标准电压为5V的电源提供，接线端子U2的输出端输出温度传感器ST两端的电压至运算放大器IC1，运算放大器IC1与可调电阻RV、电阻RS1、电阻RS21、电阻RS20共同构成第一差分放大单元，运算放大器IC1的同相输入端与可调电阻RV的接线柱电连接，可调电阻RV的一端与参考电压源U1电连接，通过改变可调电阻RV的接线柱的位置，可以改变可调电阻RV的有效值，并间接的改变运算放大器IC1同相输入端的输入电压，可通过改变电阻RS1、RS21、RS20值来改变运算放大器输出电压的倍数，输出端输出的值为运算放大器同相输入端和反向输入端的差值乘以放大倍数，由于运算放大器IC1通过双电源供电，因此运算放大器IC1的输出可以为负电压；
需要指出的是，根据差分放大电路的性质，除去外部的有源输入之外，最终的输出电压由电阻RS20以及处于并联状态的电阻RS21、电阻RS1以及温度传感器ST共同决定，由此，在电阻RS21、电阻RS1、电阻RS20的值不变时，运算放大器IC1的输出电压值由温度传感器ST确定；
参考电压源U1的输出端不仅为运算放大器IC1的同相输入端提供有源输入，还直接的与运算放大器IC2的同相输入端短接，运算放大器IC2为一个电压跟随器，其输出端的输出电压为同相输入端的输入电压，运算放大器IC2的输出端分别与运算放大器IC3的反相输入端和同相输入端电连接，运算放大器IC3与其反相输入端的电阻RST0、电阻RST1、电阻RST2以及与其同相输入端的可调电阻RST共同组成第二差分放大单元，通过改变可调电阻RST的有效值，能够改变运算放大器IC3的同相输入端的输入电压，由第一差分放大单元的分析可知，通过改变电阻RST0、电阻RST1、电阻RST2的值，可以改变运算放大器IC3的输出值和倍数；
通过引入的第一差分放大单元和第二差分放大单元，可以较好的消除伴随输入信号进入整个系统的干扰信号，使得TEC的工作状态更加的稳定，同时能够提高器件的使用寿命；
运算放大器IC1和运算放大器IC3的输出端分别与运算放大器IC4的反相输入端、同相输入端电连接，所述运算放大器IC4和电容C11、电容C9、电容C10、以及电阻R5、电阻R7、电阻R6、电阻R92共同组成一个PID调节单元；
在通用的PID调节器中：
P指代比例调节，比例调节是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差；
I指代积分调节，微分调节是指变化率，当输入没有变化时，微分作用输出为零，因此需要配合其他两种使用组成PD/PID；
D是指微分调节，微分调节是使系统消除稳态误差，提高无差度，如果有误差，积分调节就持续进行，直至无差；
在本发明提出的PID单元中，微分部分由电阻R6和电容C11组成，可以通过改变电阻R6和电容C11的值调整电路的微分时间，积分部分由电阻R6，电阻R92，电容C9，电容C10构成，其中，积分时间主要由电阻R6和电容C9决定，电容C10为提高积分部分的响应速度而设置，电阻R92为改善静态稳定性而设置；
运算放大器IC3和运算放大器IC1的输出值，经过PID调节单元后输送至输出单元中，输出单元包括运算放大器IC5，运算放大器IC5与电阻RPIDX、电阻RPIDD共同组成输出单元，运算放大器IC5的同相输入端与运算放大器IC4的输出端电连接；
本发明提出的方案主要是对TEC的控制；
TEC的固有特性为：当一端作为预定工作端时，改变TEC两端的极性，就可以让预定工作端处于制冷/发热的状态，本发明提供双电源的供电模式，由此，运算放大器IC5输出端的输出值可以是参考方向相反的两种工作电压，TEC通过驱动模块与运算放大器IC5的相互关联，因此当运算放大器IC5的输出电压参考方向发生变化，TEC两端的极性也会变化；
驱动模块包括NPN型三极管QH、PNP型三极管QC，NPN型三极管QH的基极和与PNP型三极管QC的基极均与运算放大器IC5的输出端电连接，NPN型三极管QH的发射极和与PNP型三极管QC的发射极均与TEC的一端电连接，根据NPN型三极管QH、PNP型三极管QC的性质可知，当运算放大器IC5输出为正电压时，NPN型三极管QH的发射极处于导通状态，同时PNP型三极管QC的发射极处于截止状态，即TEC与NPN型三极管QH直接连接的一端极性为正，当运算放大器IC5输出为负电压时，NPN型三极管QH的发射极处于截止状态，同时PNP型三极管QC的发射极处于导通状态，即TEC与PNP型三极管QC直接连接的一端极性为负；
TEC的相对于连接NPN型三极管QH、PNP型三极管QC的另一端设置有反馈模块，反馈模块包括电阻RSMP，电阻RSMP的一端接地，电阻RSMP与TEC连接的另一端同时与运算放大器IC5的反向输入端电连接，电阻RSMP作为取样电阻可以取样TEC一端的电压值，电阻RSMP能够监测TEC的工作电压状态，并将工作电压值反馈给运算放大器IC5，通过运算放大器IC5来消除局部系统的干扰信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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