一种近红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路设计方法技术

本发明专利技术提出了一种红外光谱探测器MEMS‑FPI的驱动电路设计方法，用微控制器控制D/A产生0‑5V的锯齿波电压，之后输入到由OPA‑454实现的一个放大电路，经该放大电路之后，0‑5V的锯齿波电压被放大到0‑38V以满足MEMS‑FPI驱动电压的要求。本发明专利技术旨在解决实验室学生电源电压输出电压受限的局限性，解决诸如MEMS‑FPI等需要较大驱动电压的应用场景。本发明专利技术具体实现步骤如下：按照附图1系统结构图进行各个模块电路的设计，微控制器根据D/A转换模块的中D/A转换芯片数据手册进行编程控制输出0‑5V的锯齿波电压，将该锯齿波电压输入到由OPA‑454构成的放大电路。

A driving circuit design method of near infrared spectroscopy detector MEMS-FPI

A design method of driving circuit for infrared detector MEMS FPI is proposed. The sawtooth wave voltage of 0_5V is generated by D/A controlled by a microcontroller, and then input into an amplification circuit realized by OPA_454. After the amplification circuit, the sawtooth wave voltage of 0_5V is amplified to 0_V to satisfy the driving electricity of MEMS_FPI. Pressure requirements. The invention aims to solve the limitation of the limited output voltage of the student power supply in the laboratory, and to solve the application scenarios such as the MEMS FPI, which require a larger driving voltage. The specific implementation steps of the invention are as follows: The circuit of each module is designed according to the system structure diagram of Fig. 1, and the microcontroller controls the sawtooth voltage output of 0_5V by programming according to the data manual of D/A conversion chip in the D/A conversion module, and inputs the sawtooth voltage to the amplification circuit composed of OPA_45.

【技术实现步骤摘要】
一种近红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路设计方法
本专利技术涉及的是完成一种近红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路的设计方法。
技术介绍
随着分析、计测仪器小型化、便携化、民用化的改变，对成就这些仪器的探测器等元器件来说，体积的缩小也是一大趋势，正如之前在光谱探测元件中举起“微型化”大旗的“微型光谱仪”，而这样不断的微型化也让业界看到了更多的应用可能。于是对微型化探测元件的研究具有重要的意义。2015年在日本JASIS展会中，MEMS-FPI（MEMS-FPINIRSpectrumSensor）是一款超小型、低成本的光谱探测器产品。这只MEMS-FPI（光谱范围在1.55-1.85μm），可以实现对气体（环境测量）、食品和饮料、农产品、饲料、石油化工等产品的检测，甚至其他更为新颖的应用场景。因此，对于该光谱探测器的应用开发是一个很有意义的研究方向。该MEMS-FPI结构中包含一个可调谐滤波器，该滤波器本质上就是一个F-P腔（法珀腔）。其光谱响应范围为1550-1850nm，对应的驱动电压为0-38V的锯齿波电压。通常此类驱动电源的设计是采用运放芯片设计放大电路，然后对微控制器控制D/A输出的电压进行放大。但一般实验室使用的直流电源的范围为0-+/-35V可调，显然不能够满足MEMS-FPI驱动电压的要求。另外使用运算放大器进行放大电路进行设计时，输出电压会低于供电电压，鉴于此基于运算放大器的放大电路设计有时会采用轨对轨输出。即便如此在MEMS-FPI驱动电路设计中，实验室供电电源不能满足供电电压的要求，而供电电压达38V的运算放大器比较少见。经查找资料发现采用OPA-454则能够很好的解决问题，OPA-454供电电压范围为+/-5V至+/-50V范围，单电源供电10-100V范围，且增益带宽可达2.5MHz，具有过热保护功能。理想适用于要求大于36V固定总电源电压或+/-5V至+/-50V可变电源电压系统，满足设计要求。基于此，本专利技术使用一个直流稳压电源配合实验室直流电源以及一个运算放大器OPA-454实现放大电路的设计，进而实现MEME-FPI电压驱动设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种近红外光谱探测器MEMS-FPI(微机电加工工艺制作法布里珀罗腔)的驱动电路的设计方法，具体为采用一个D/A转换模块和一个运算放大器OPA-454构成的放大电路实现MEMS-FPI所需0-38V驱动电压的方法。本专利技术采用的方案如下：用微控制器控制D/A产生0-5V的锯齿波电压，之后输入到由OPA-454实现的一个放大电路，经该放大电路之后，0-5V的锯齿波电压被放大到0-38V以满足MEMS-FPI驱动电压的要求。由于该MEMS-FPI驱动电压限制比较严格，特别当最大电压值大于MEMS-FPI对应的最大驱动电压时会损坏器件本身，所以OPA-454放大电路结构中的反馈电阻中加入一个匹配的滑动变阻器，这样在每次实验时通过调整滑变以及通过示波器观察可以避免损坏MEMS-FPI探测器。为实现上述驱动电路设计，本专利技术具体实现步骤如下：（1）驱动电路包括微控制器、D/A转换模块、OPA-454放大电路模块、电源部分；（2）D/A转换模块根据芯片数据手册中的参考电路进行设计，本专利技术中使用的D/A是TLC5615，该D/A转换模块中还包含一个标准参考电压设计部分。（3）微控制器控制D/A转换模块输出稳定的0-5V的锯齿波，电压变换的频率由微控制器工作频率以及D/A芯片转换速率来共同控制，根据不同驱动电路要求进行相应的调整；（4）测试阶段，调整激光器输出1.55-1.85μm波长激光，经处理后耦合到MEMS-FPI中，而后调整由OPA-454组成的放大电路模块放大倍数，使得MEMS-FPI输出端在示波器上显示电压值最大，并记录此时对应的驱动电压值和激光器输出中心波长作为一组数据点，连续测量多组其它对应驱动电压和波长数据点并进行拟合。之后将拟合结果和MEMS-FPI出厂测试校准系数得出的拟合曲线进行对比，可以发现该放大电路可以满足MEMS-FPI驱动要求。本专利技术的优点是：旨在解决实验室学生电源电压输出电压受限的局限性，解决诸如MEMS-FPI等需要较大驱动电压的应用场景。用一种简单、低成本的OPA-454芯片实现了MEMS-FPI的大驱动电压，为微型光谱仪的开发奠定了基础。附图说明附图1是本专利技术的系统结构图。其中，1是微控制器；2是D/A转换模块；3是OPA-454组成的放大电路；4是直流稳压电源；5是驱动电压波形。附图2是测试阶段，记录的驱动电压和对应中心波长拟合图。其中纵坐标单位为波长nm，横坐标为电压v。附图3是根据MEMS-FPI出厂测试校准系数进行拟合曲线，其中纵坐标单位为波长nm，横坐标单位为电压v。具体实施方式按照附图1所示的结构进行设计。为实现上述目的，本专利技术采用图1的系统结构。具体实现步骤如下：（1）按附图1所示进行设计，实验结构主要包括微控制器1、D/A转换模块2、OPA-454放大电路3、直流电源部分4。微控制器控制D/A转换模块输出0-5V的锯齿波电压，经由OPA-454的放大电路将0-5V的锯齿波电压信号放大至0-38V满足MEMS-FPI驱动电压要求。（2）其中，D/A为10位的TLC5615转换芯片，微控制器根据芯片时序要求编程实现0-5V锯齿波电压信号的转换。（3）直流电源部分，由于OPA-454是正负电源供电，这样输出的放大锯齿波才能满足驱动要求，实验室使用学生电源可以输出正负电压，但是电压最大值为35V，满足不了要设计的驱动电压，因此采用直流稳压电源，其输出电压可以达到50V。但是负电压部分采用实验室使用的学生电源，且该电压值在-5V左右就可以满足OPA-454供电要求。这样供电之后放大电路可以对D/A模块输出的0-5V锯齿波进行线性放大，否则0V附近的电压将不能正常放大且会影响1.55-1.85μm对应驱动电压范围的放大。（4）经由上述步骤设计之后，最终输出如附图1所示的锯齿波驱动电压5。本专利技术提出了一种红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路设计方法，用微控制器控制D/A产生0-5V的锯齿波电压，之后输入到由OPA-454实现的一个放大电路，经该放大电路之后，0-5V的锯齿波电压被放大到0-38V以满足MEMS-FPI驱动电压的要求。本专利技术旨在解决实验室学生电源电压输出电压受限的局限性，解决诸如MEMS-FPI等需要较大驱动电压的应用场景。本专利技术具体实现步骤如下：按照附图1系统结构图进行各个模块电路的设计，微控制器根据D/A转换模块的中D/A转换芯片数据手册进行编程控制输出0-5V的锯齿波电压，将该锯齿波电压输入到由OPA-454构成的放大电路。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近红外光谱探测器MEMS‑FPI的驱动电路设计方法，其特征在于：用微控制器控制D/A产生0‑5V的锯齿波电压，之后输入到由OPA‑454实现的一个放大电路，经该放大电路之后，0‑5V的锯齿波电压被放大到0‑38V以满足MEMS‑FPI驱动电压的要求。

【技术特征摘要】
1.一种近红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路设计方法，其特征在于：用微控制器控制D/A产生0-5V的锯齿波电压，之后输入到由OPA-454实现的一个放大电路，经该放大电路之后，0-5V的锯齿波电压被放大到0-38V以满足MEMS-FPI驱动电压的要求。2.根据权利要求2所述的一种近红外光谱探测器MEMS-FPI的驱动电路设计方法，其特征在于：实现上述驱动电路设计，，具体实现步骤如下：（1）驱动电路包括微控制器、D/A转换模块、OPA-454放大电路模块、电源部分；（2）D/A转换模块电路进行设计使用的D/A是TLC5615，该D/A转换模块中还包含一个标准参考电压设计部分；（3）...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾鹏，万生鹏，陈瑞麟，唐晨飞，徐津，杨思玉，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36