CN109085559A - 基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路 - Google Patents

基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及峰值采样测量领域，为实现多次密集回波信号峰值的保持和自动放电，并降低对后级AD转换电路转换速度以及单片机处理速度的要求。为此，本发明采取的技术方案是，基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，由上升沿检测模块、跨阻放大模块、二级放大模块、AD转换电路及N路峰值保持和自动放电电路构成，每路峰值保持和自动放电电路包括下降沿检测模块、单稳态触发模块、跨导型峰值保持模块、通道开关、放电开关、下降沿检测模块，第一路峰值保持和自动放电电路不包含下降沿检测模块，激光回波被探测到后，信号首先经过跨阻放大模块和二级放大模块，转换成电压脉冲信号。本发明主要应用于峰值采样测量场合。

Description

基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路
技术领域
本发明涉及峰值采样测量领域，尤其是涉及激光测距回波峰值采样测量领域。具体讲,涉及基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路。
背景技术
激光雷达从出现至今，被广泛应用于三维形貌测量、无人机避障和无人驾驶汽车等领域，其中最为突出的是民用领域无人驾驶汽车方面的应用。随着无人驾驶技术的不断发展成熟，其对激光雷达测距量程、角度分辨率、测距精度等指标也不断提高，除此之外，无人驾驶技术对激光雷达的要求也不再局限于距离测量方面，被测物的识别技术越来越受到人们的关注。
然而在激光测距过程中，由于发射的激光光束是单色激光，光电探测器也有一定的波段限制，因此对目标的识别不能依靠其颜色等信息，只能通过检测反射回波的单色灰度值，即反射回波强度来确定目标物体的反射率，依据不同的反射强度对被测物进行分类，进而实现目标的识别。因此，激光雷达应在获得激光脉冲飞行时间的同时，获得相应激光回波的强度信息。
为保留回波强度信息并实现回波强度的采集，目前常用的方法是设计峰值保持电路，将回波的峰值保持一段时间，进行模拟数字转换(以下简称AD转换)，以获得回波强度信息，进而得到目标回波的单色灰度值。同时，峰值保持电路应在AD转换完成后实现自动放电，为下一个峰值的保持做好准备。但是当被测物为树木或半透明障碍物等时，同一个发射光束会得到超过两次回波，为了保证目标识别的准确性，应采集不少于两次回波脉冲的峰值强度信息。而同一个发射脉冲的多次回波往往具有非常小的时间间隔，假设当相邻两次回波测得的不同被测物相距3m时，这两次回波的时间间隔为20ns。目前对连续脉冲峰值的采样的一般方案是通过单片机进行控制，即当AD转换完成时，单片机控制峰值保持电路进行放电。为了采集到这种时间间隔极短的多次回波的强度信息，对AD转换速度和单片机处理速度提出了极高的要求，更重要的是，传统的峰值保持电路几乎无法实现对多次密集回波的相邻两次脉冲峰值的保持。目前也有学者提出一种“数字+模拟”结构峰值保持电路来解决这个问题，其利用多片D触发器芯片实现保持通道的切换，但其电路结构复杂，所需D触发器芯片数量较多，且不易于级联。
因此，为了提高激光雷达目标识别的准确度，兼顾电路成本和可行性，设计基于模拟控制的乒乓结构的峰值保持和自动放电电路。
发明内容
为克服现有技术的不足，针对激光测距回波多次、密集的特点，本发明旨在提出基于模拟控制的乒乓结构的峰值保持和自动放电电路。该种电路能够实现多次密集回波信号峰值的保持和自动放电，并降低对后级AD转换电路转换速度以及单片机处理速度的要求。为此，本发明采取的技术方案是，基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，由上升沿检测模块、跨阻放大模块、二级放大模块、AD转换电路及N路峰值保持和自动放电电路构成，每路峰值保持和自动放电电路包括下降沿检测模块、单稳态触发模块、跨导型峰值保持模块、通道开关、放电开关、下降沿检测模块，第一路峰值保持和自动放电电路不包含下降沿检测模块，激光回波被探测到后，信号首先经过跨阻放大模块和二级放大模块，转换成电压脉冲信号；
进一步地，上升沿检测模块1检测到经过两次放大后输出的电压脉冲信号，开启第1路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块；
进一步地，第1路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第1路峰值保持和自动放电电路放电开关不导通，此时第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块工作，获得第1个脉冲的峰值并保持一段时间；
进一步地，第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块获得第一个脉冲峰值后，第2路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块检测到第一个峰值的下降沿，开启第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块；
进一步地，第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第1路峰值保持和自动放电电路通道开关导通，此时第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块不再接收新的脉冲；
进一步地，第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第2路峰值保持和自动放电电路放电开关不导通，此时第2路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块工作，获得第2个脉冲的峰值并保持一段时间；
进一步地，与第2路峰值保持和自动放电电路相同的过程依次发生在第3～N路峰值保持和自动放电电路；
进一步地，AD转换电路在两路跨导型峰值保持模块保持的时间内完成对各路跨导型峰值保持模块上保持峰值的AD转换。
上升沿检测模块采用高速电压比较电路，设置其反相输入端阈值电压为V0，正相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs>V0时，上升沿检测模块1检测到发射信号。
下降沿检测模块采用高速电压比较电路，第n路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块正相输入端为电为第n-1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块的保持电压Vh(n-1)，第n路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块反相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs<Vh(n-1)时，检测到第n-1个脉冲的下降沿。
单稳态触发模块采用单稳态电路，设单稳态电路暂稳态时间为t，设激光测距满量程激光往返时间为t0，即所有回波将在时间t0内被探测器接收，设单次测距周期为T，则应满足T>t>t0。
跨导型峰值保持模块采用跨导型峰值保持电路，选择容值C较小，使其作为保持电容，能够提高充电速度，在短时间内完成峰值的保持。
通道开关采用高速互补金属氧化物半导体开关，实现通道高速切换；
放电开关采用高速CMOS开关，具有极短的开启和关断时间，辅助实现通道高速切换，并于AD转换完成后快速完成跨导型峰值保持模块中保持电容的放电。
本发明的特点及有益效果是：
1)通过多路峰值保持电路交替工作，克服传统峰值保持电路只能保持单次脉冲峰值的缺点，实现对多次、密集脉冲信号峰值的采样，确保脉冲信号信息完整性。
2)将多次、密集脉冲信号峰值分别用多路峰值保持电路进行保持，可明显降低对AD转换电路转换速度的要求，放宽AD转换电路设计的标准，降低AD转换电路成本。
附图说明：
图1一种模拟控制的乒乓结构的双路峰值保持和自动放电电路。
图1中，1为上升沿检测模块，2为下降沿检测模块，3为单稳态触发模块，4为跨导型峰值保持模块，5为通道开关，6为放电开关。
图2一种模拟控制的乒乓结构的多路峰值保持和自动放电电路。
图2中，1为上升沿检测模块，2为下降沿检测模块，3为单稳态触发模块，4为跨导型峰值保持模块，5为通道开关，6为放电开关。
具体实施方式
本发明提出的一种模拟控制的乒乓结构的双路或多路峰值保持和自动放电电路，包括：上升沿检测模块1(1个)，下降沿检测模块2(除第1路以外每路1个)，单稳态触发模块3(每路1个)，跨导型峰值保持模块4(每路1个)，通道开关5(每路1个，导通时相应通路不接收回波)，放电开关6(每路1个，导通时相应通路的保持电容实现放电)。
基于模拟控制的乒乓结构的峰值保持和自动放电电路，可以设计为模拟乒乓结构的双路峰值保持和自动放电电路，见图1，电路开始工作之前，所有通道开关5不导通，所有通道接收峰值信号，所有放电开关6导通，所有跨导型峰值保持模块4处于放电状态，不保持峰值信号。
激光回波被探测到后，信号首先经过跨阻放大模块和二级放大模块，转换成电压脉冲信号。
进一步地，上升沿检测模块1检测到经过两次放大后输出的电压脉冲信号，开启第1路单稳态触发模块3。
进一步地，第1路单稳态触发模块3输出信号使第1路放电开关6不导通，此时第1路跨导型峰值保持模块4工作，获得第1个脉冲的峰值并保持一段时间。
进一步地，第1路跨导型峰值保持模块4获得第一个脉冲峰值后，第2路下降沿检测模块2检测到第一个峰值的下降沿，开启第2路单稳态触发模块3。
进一步地，第2路单稳态触发模块3输出信号使第1路通道开关5导通，此时第1路跨导型峰值保持模块4不再接收新的脉冲。
进一步地，第2路单稳态触发模块3输出信号使第2路放电开关6不导通，此时第2路跨导型峰值保持模块4工作，获得第2个脉冲的峰值并保持一段时间。
进一步地，AD转换电路在两路跨导型峰值保持模块4保持的时间内完成对各路跨导型峰值保持模块4上保持峰值的AD转换。
基于模拟控制的乒乓结构的峰值保持和自动放电电路，可以设计为模拟乒乓结构的N(N>2)路峰值保持和自动放电电路，见图2，电路开始工作之前，所有通道开关5不导通，接收峰值信号，所有放电开关6导通，所有通道跨导型峰值保持模块4处于放电状态，不保持峰值信号。
激光回波被探测到后，信号首先经过跨阻放大模块和二级放大模块，转换成电压脉冲信号。
进一步地，上升沿检测模块1检测到经两级放大后的电压脉冲信号，开启第1路单稳态触发模块3，第1路单稳态触发模块3输出信号使第1路放电开关6不导通，此时第1路跨导型峰值保持模块4工作，获得第1个脉冲的峰值并保持一段时间。
进一步地，第1路跨导型峰值保持模块4获得第1个脉冲峰值后，第2路下降沿检测模块2检测到第一个峰值的下降沿，开启第2路单稳态触发模块3。
进一步地，第2路单稳态触发模块3输出信号使第1路通道开关5导通，此时第1路跨导型峰值保持模块4不再接收新的脉冲。
进一步地，第2路单稳态触发模块3输出信号使第2路放电开关6不导通，第2路跨导型峰值保持模块4工作，获得第2个脉冲的峰值并保持一段时间。
进一步地，与第2路相同的过程依次发生在第3～N路。
进一步地，AD转换电路在N路跨导型峰值保持模块4保持的时间内完成对各路跨导型峰值保持模块4上保持峰值的AD转换。
上升沿检测模块1可采用高速电压比较电路，设置其反相输入端阈值电压为V0，正相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs>V0时，上升沿检测模块1检测到发射信号。
下降沿检测模块2可采用高速电压比较电路，第n(2≤n≤N)路下降沿检测模块2正相输入端为电为第n-1路跨导型峰值保持模块4的保持电压Vh(n-1)，反相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs<Vh(n-1)时，检测到第n-1个脉冲的下降沿。
单稳态触发模块3可采用单稳态电路，设单稳态电路暂稳态时间为t，设激光测距满量程激光往返时间为t0，即所有回波将在时间t0内被探测器接收，设单次测距周期为T，则应满足T>t>t0。
跨导型峰值保持模块4可采用跨导型峰值保持电路，选择容值较小电容C作为保持电容，提高充电速度，在极短的时间内完成峰值的保持。
通道开关5可采用高速互补金属氧化物半导体开关(以下简称CMOS开关)，具有极短的开启和关断时间，实现通道高速切换。
放电开关6可采用高速CMOS开关，具有极短的开启和关断时间，辅助实现通道高速切换，并于AD转换完成后快速完成跨导型峰值保持模块4中保持电容的放电。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
一种模拟控制的乒乓结构的双路或多路峰值保持和自动放电电路，包括：上升沿检测模块1(1个)，下降沿检测模块2(除第1路以外每路1个)，单稳态触发模块3(每路1个)，跨导型峰值保持模块4(每路1个)，通道开关5(每路1个)，放电开关6(每路1个)。
上升沿检测模块1可采用高速电压比较电路，设置其反相输入端阈值电压为V0，可设计为V0＝0.5V，正相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs>V0时，上升沿检测模块1检测到发射信号。
下降沿检测模块2可采用高速电压比较电路，第n(n≥2)路下降沿检测模块2正相输入端为电为第n-1路跨导型峰值保持模块4的保持电压Vh(n-1)，反相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs<Vh(n-1)时，检测到第n-1个脉冲的下降沿。
单稳态触发模块3可采用单稳态电路，设单稳态电路暂稳态时间为t，设激光测距满量程激光往返时间为t0，即所有回波将在时间t0内被探测器接收，则应满足T>t>t0。一般情况下T＝10us，t0＝1us，可令t＝5us。
跨导型峰值保持模块4可采用跨导型峰值保持电路，选择容值较小电容作为保持电容，提高充电速度，在极短的时间内完成峰值的保持，可选取100pF的保持电容。
通道开关5可采用高速CMOS开关，具有极短的开启和关断时间，实现高速通道切换。
放电开关6可采用高速CMOS开关，具有极短的开启和关断时间，辅助实现高速通道切换，并于AD转换完成后快速完成跨导型峰值保持模块4中保持电容的放电。

Claims (6)

1.一种基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，由上升沿检测模块、跨阻放大模块、二级放大模块、AD转换电路及N路峰值保持和自动放电电路构成，每路峰值保持和自动放电电路包括下降沿检测模块、单稳态触发模块、跨导型峰值保持模块、通道开关、放电开关、下降沿检测模块，第一路峰值保持和自动放电电路不包含下降沿检测模块，激光回波被探测到后，信号首先经过跨阻放大模块和二级放大模块，转换成电压脉冲信号；
进一步地，上升沿检测模块1检测到经过两次放大后输出的电压脉冲信号，开启第1路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块；
进一步地，第1路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第1路峰值保持和自动放电电路放电开关不导通，此时第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块工作，获得第1个脉冲的峰值并保持一段时间；
进一步地，第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块获得第一个脉冲峰值后，第2路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块检测到第一个峰值的下降沿，开启第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块；
进一步地，第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第1路峰值保持和自动放电电路通道开关导通，此时第1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块不再接收新的脉冲；
进一步地，第2路峰值保持和自动放电电路单稳态触发模块输出信号使第2路峰值保持和自动放电电路放电开关不导通，此时第2路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块工作，获得第2个脉冲的峰值并保持一段时间；
进一步地，与第2路峰值保持和自动放电电路相同的过程依次发生在第3～N路峰值保持和自动放电电路；
进一步地，AD转换电路在两路跨导型峰值保持模块保持的时间内完成对各路跨导型峰值保持模块上保持峰值的AD转换。
2.如权利要求1所述的基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，上升沿检测模块采用高速电压比较电路，设置其反相输入端阈值电压为V0，正相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs>V0时，上升沿检测模块1检测到发射信号。
3.如权利要求1所述的基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，下降沿检测模块采用高速电压比较电路，第n路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块正相输入端为电为第n-1路峰值保持和自动放电电路跨导型峰值保持模块的保持电压Vh(n-1)，第n路峰值保持和自动放电电路下降沿检测模块反相输入端为放大后的激光回波信号幅值为Vs，当满足Vs<Vh(n-1)时，检测到第n-1个脉冲的下降沿。
4.如权利要求1所述的基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，单稳态触发模块采用单稳态电路，设单稳态电路暂稳态时间为t，设激光测距满量程激光往返时间为t0，即所有回波将在时间t0内被探测器接收，设单次测距周期为T，则应满足T>t>t0。
5.如权利要求1所述的基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，跨导型峰值保持模块采用跨导型峰值保持电路，选择容值C，使其作为保持电容，能够提高充电速度，在短时间内完成峰值的保持。
6.如权利要求1所述的基于模拟控制的乒乓结构峰值保持和自动放电电路，其特征是，通道开关采用高速互补金属氧化物半导体开关，实现通道高速切换；放电开关采用高速CMOS开关，具有极短的开启和关断时间，辅助实现通道高速切换，并于AD转换完成后快速完成跨导型峰值保持模块中保持电容的放电。
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