脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法
文献发布时间:2023-06-19 09:24:30
技术领域
本发明涉及脉冲激光测距领域,尤其涉及一种脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法。
背景技术
由于激光测距具有测量精度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点,所以在汽车防撞、堤坝变形监测、空地安全监护、超高超宽检测、基础设施测量等众多领域得到了广泛应用。激光测距主要采用飞行时间测距法,即由激光发射模块发射光脉冲,光脉冲经过目标反射后再由光接收模块接收,通过测量光发射到光接收的时间间隔来测量目标到仪器之间的距离。
脉冲激光测距的精度很大程度上取决于飞行时间的测量精度。按照是否需要模数转换过程,飞行时间测量方法大致可以分为模拟测量与数字测量两大类。数字测量方法可以实现从时间到数字的直接转换,如抽头延迟线法、差分延迟线法等,随着半导体技术的进步和数字电路技术的成熟,数字测量方法越来越流行。但是,随着脉冲激光测距从单点式扫描测量向焦平面凝视测量方向发展,数字测量方法在大阵列时钟驱动、时钟精度一致性、单元间串扰以及功耗上逐渐显示出了自身的缺点和不足。
由于模拟测量方法在读出单元测量电路中不需要高频时钟,所述高频时钟通常为几百MHz,因此随着焦平面阵列规模的扩大,模拟测量方法又受到了青睐。图1为现有技术中一种基于时间电压转换电路:当门控信号G
图1所示的时间电压转换电路在测量距离较短时,可获得较好的时间分辨率,但是随着测量距离的增加,时间分辨率很难提高到1ns以下。图2是图1所对应的时间电压转换电路的时序图;采用图1所示的单斜坡式的时间电压转换电路的最大电压差为V
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案提供了脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法;该方案可用于焦平面凝视脉冲激光测距并可获得高时间分辨率。
本发明的技术方案包括如下:
在本发明的第一方面,本发明提供了一种脉冲激光时间电压转换电路,包括跨阻放大器、第一比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电流源、第二电流源、电容、第二比较器、计数器和缓冲器;
进一步的,这些器件及其组合达到时间电压转换的功能是通过以下内容进行实现的:
所述跨阻放大器将接收到的回波脉冲电流转换为脉冲电压;所述第一比较器从跨阻放大器中鉴别出激光的到达时刻,并向计数器输出信号;第一比较器的输出信号控制第二开关对缓冲器输出的电压信号进行采样;所述第二比较器的输入端连接电容,并向计数器输出计数脉冲;第二比较器的输出信号控制第三开关,并通过第二电流源对电容放电;所述计数器对接收到的计数脉冲进行计数;利用门控信号控制第一开关对电容的充电电压复位,并通过第一电流源对电容充电;所述缓冲器用于隔离后端电路对所述电容的充电电压的干扰。
进一步的,这些器件的连接方式可以为:
所述跨阻放大器的输入端连接输入端口,输出端与第一比较器的正相输入端连接,所述第一比较器的负相输入端连接第一参考电压;所述第一比较器的输出端连接计数器;所述第一电流源的输入端连接电源电压,其输出端连接电容的上极板,所述电容的下极板接地;所述第一开关的一端连接电容的上极板,另一端连接第二参考电压;所述第三开关的一端连接电容的上极板,另一端与第二电流源的输入端连接,所述第二电流源的输出端接地;所述第二比较器的输入端连接电容的上极板,其输出端与计数器的输入端连接,所述计数器的输出端连接第二输出端口;所述缓冲器的输入端连接电容的上极板,输出端与第二开关的一端连接,所述第二开关的另一端连接第一输出端口。
进一步的,所述第二比较器为迟滞比较器。
进一步的,所述第二电流源的电流大小是所述第一电流源的电流大小的两倍。
进一步的,在向被测目标发生脉冲激光信号时,所述门控信号切换为高电平,并控制第一开关断开。
进一步的,所述门控信号的高电平持续时间大于或等于最大测距量程。
进一步的,所述计数器采用双沿计数;所述计数器的计数值由第一比较器的输出信号控制锁存。
在上述脉冲激光时间电压转换电路的基础上,在本发明的第二方面,本发明还提供了一种用于控制上述脉冲激光时间电压转换电路的控制方法,所述控制方法包括以下步骤:
激光器向被测目标发生脉冲激光信号开始测量时,门控信号转换为高电平,控制第一开关断开,第一电流源对电容充电;
当所述电容的电压超过第二比较器的高电平阈值电压时,所述第二比较器的输出信号发生反转,利用计数器对该输出信号进行一次计数,并利用该输出信号闭合第三开关;
第二电流源对电容放电,当所述电容的电压低于第二比较器的低电平阈值电压时,所述第二比较器的输出信号发生反转,利用计数器对该输出信号进行一次计数,并利用该输出信号断开第三开关;
检测到被测目标返回的回波脉冲信号后,跨阻放大器将回波脉冲信号转换为脉冲电压;当跨阻放大器输出的脉冲电压超过第一比较器的负相端的第一参考电压;所述第一比较器的输出信号发生反转,将第二开关断开,并对计数器的计数值锁存;
将锁存的计数值作为高位数据,将第二开关断开前缓冲器输出的电压作为低位数据,计算出脉冲激光飞行时间所对应的电压信号。
进一步的,为了能够实现多次测量;在开始测量前以及完成测量后,控制门控信号为低电平来闭合第一开关,并将电容电压复位到第二参考电压。
本发明的有益技术效果:
本发明采用测量电压差的方式来获取脉冲激光飞行时间,通过对电容进行充放电对第二比较器的输出信号进行反转调制,能够形成周期性的三角波信号;将计数信号与输出的电压信号进行结合,从而得到脉冲激光飞行时间所对应的电压信号,本发明通过引入受控的周期性三角波来扩展最大电压差幅度,与现有的单斜坡时间电压转换电路相比,提高了信号的噪声容限,从而保证在长距离测量时也能够获得高的时间分辨率,能够用于焦平面阵列排布形式,实现焦平面凝视脉冲激光测距,实用性强。
附图说明
图1为现有的时间电压转换电路结构示意图;
图2为图1结构中时间电压转换的时序示意图;
图3为本发明的时间电压转换电路结构示意图;
图4为本发明的时间电压转换电路的控制方法流程图;
图5为图3结构中时间电压转换的时序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,由于本发明实施例关注的是信号的电流或者电压,尤其是电压,因此本文中以各模块/单元/器件所输入/输出的为电流或者电压进行说明;本领域技术人员应当理解的是,实际上各模块/单元/器件所输入/输出的为信号。
本发明提供了一种脉冲激光时间电压转换电路,包括:跨阻放大器、第一比较器、第一开关S
所述跨阻放大器将接收到的回波脉冲电流转换为脉冲电压;所述第一比较器从跨阻放大器中鉴别出激光的到达时刻,并向计数器输出信号;第一比较器的输出信号控制第二开关对缓冲器输出的电压信号进行采样;所述第二比较器的输入端连接电容,并向计数器输出计数脉冲;第二比较器的输出信号控制第三开关,并通过第二电流源对电容放电;所述计数器对接收到的计数脉冲进行计数;利用门控信号控制第一开关对电容的充电电压复位,并通过第一电流源对电容充电;所述缓冲器用于隔离后端电路对所述电容的充电电压的干扰。
在一个优选实施例中,本实施例给出了上述电路结构的一种具体的连接方式,如图3所示:
所述跨阻放大器的输入端连接输入端口V
在上述连接方式中,所述第一开关S
在一些实施例中,所述第二比较器为迟滞比较器;迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络,就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。本发明可以利用迟滞比较器对于门限电压的限制,来控制信号的反转,扩大了电压差幅度;并且采用迟滞比较器也能够提高电路的抗干扰能力。
正是通过上述开关的设置,控制电流进行充放电,在电容的充电过程中,节点X的电压持续上升,在电容的放电过程中,节点X的电压持续下降;从而形成了三角波;使得第一输出端口V
本发明的详细工作原理如下:
基于现有理论可知,由于先进集成电路芯片的工作电压范围限制,单斜坡式的时间电压转换电路的电压差幅度受限,造成信号的噪声容限不能够满足长距离测量对高精度时间分辨率的要求。本发明提出了一种时间电压转换电路,采用周期性的三角波来扩展电压差幅度,从而提高信号的噪声容限。
如图4所示,本发明提供了一种控制上述脉冲激光时间电压转换电路的方法,即一种脉冲激光时间电压转换电路的控制方法,所述方法包括以下步骤:
S1、激光器向被测目标发生脉冲激光信号开始测量时,门控信号转换为高电平,控制第一开关断开,第一电流源对电容充电;
S2、当所述电容的电压超过第二比较器的高电平阈值电压时,所述第二比较器的输出信号发生反转,利用计数器对该输出信号进行一次计数,并利用该输出信号闭合第三开关;
S3、第二电流源对电容放电,当所述电容的电压低于第二比较器的低电平阈值电压时,所述第二比较器的输出信号发生反转,利用计数器对该输出信号进行一次计数,并利用该输出信号断开第三开关;
S4、检测到被测目标返回的回波脉冲信号后,跨阻放大器将回波脉冲信号转换为脉冲电压;当跨阻放大器输出的脉冲电压超过第一比较器的负相端的第一参考电压;所述第一比较器的输出信号发生反转,将第二开关断开,并对计数器的计数值锁存;
S5、将锁存的计数值作为高位数据,将第二开关断开前缓冲器输出的电压作为低位数据,计算出脉冲激光飞行时间所对应的电压信号。
在一些实施例中,为了实现多次测量或者周期性的测量;还包括在开始测量前以及完成测量后,控制门控信号为低电平来闭合第一开关,并将电容电压复位到第二参考电压。
具体来说,本发明是这样实现上述目的的:
参考如图3所示的电路图,所述第一电流源I
测量前,将门控信号G
测量时,激光器向被测目标发射窄脉冲激光信号,在发射脉冲激光的同时,门控信号G
节点X处的电压以速率I
当第三开关S
其中,当第三开关S
在光电探测器检测到回波脉冲激光之前,由于第二开关S
在光电探测器检测到回波脉冲激光后,产生回波脉冲电流送到输入端口V
在后续信号处理时,将信号电压V
待测量结束后,门控信号变为低电平,节点X处的电压被复位,等待下一次测量。
图5是本发明的脉冲激光时间电压转换电路的时序图,以接收到回波脉冲信号时为例,跨阻放大器将接收到的回波脉冲信号转换为脉冲信号;第一比较器输出该脉冲电压,该脉冲电压为高电平信号,能够控制第二开关断开,此时第一输出端口V
如图2和图5所示,单斜坡式的时间电压转换电路的最大电压差为V
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量,由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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- 电压转换电路、电子装置以及电压转换电路的控制方法