CN110196430B - 一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子电路技术领域，提供了一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法，通过温度传感模块与单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据温度值输出通讯信号；接着处理模块对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；最后通过偏压补偿模块根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器进行补偿供电，以使单光子阵列传感器处于恒过电压状态。由此通过补偿供电偏压，实现了单光子阵列传感器的放大能力在‑40℃～85℃的温度范围内保持稳定，也即是保持增益恒定，从而稳定激光雷达整机在不同工作温度下的测距性能，并且符合车规要求。

Description

一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法。
背景技术
单光子阵列传感器是由多个单光子雪崩二极管组成，具备高达106倍以上的增益，可以探测非常低功率的光信号，适合应用于激光测距雷达中。
同时，单光子雪崩二极管的放大倍数是指工作单元被激发后产生的电荷与电子电荷的比值，计算公式如下：
Figure BDA0002060237030000011
其中，Vov为过电压，Vbr为击穿电压，Vbias为传感器的供电偏压，q为单位电荷；
由于单光子阵列传感器的击穿电压会随着温度的变化而变化，因此在给定偏压的情况下，传感器的放大倍数会随着温度发生变化。如图1所示，单光子阵列传感器的击穿电压会随温度的增加而增大，假设给定偏压为33V，当单光子阵列传感器工作在70℃时，过电压接近0V，已经不具备放大能力。这样会造成激光雷达的测距能力会随着工作温度的升高而严重降低，从而限制了激光雷达的应用场合，无法达到车规要求。
因此，现有的单光子阵列传感器技术存在着激光雷达的测距能力会随着工作温度的升高而严重降低，从而限制了激光雷达的应用场合，无法达到车规要求的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法，旨在解决现有的单光子阵列传感器技术存在着激光雷达的测距能力会随着工作温度的升高而严重降低，从而限制了激光雷达的应用场合，无法达到车规要求的问题。
本发明第一方面提供了一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路，包括：
温度传感模块，与所述单光子阵列传感器进行近场通信，用于获取预设区域内的温度值，并根据所述温度值输出通讯信号；
处理模块，与所述温度传感模块连接，用于对所述通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；以及
偏压补偿模块，与所述处理模块及所述单光子阵列传感器连接，用于根据所述数字控制信号，输出对应的电压信号以对所述单光子阵列传感器进行补偿供电，以使所述单光子阵列传感器处于恒过电压状态。
本发明第二方面提供了一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿方法，包括：
采用温度传感模块与所述单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据所述温度值输出通讯信号；
采用处理模块对所述通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；
采用偏压补偿模块根据所述数字控制信号，输出对应的电压信号以对所述单光子阵列传感器进行补偿供电，以使所述单光子阵列传感器处于恒过电压状态。
本发明提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法，通过温度传感模块与单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据温度值输出通讯信号；接着处理模块对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；最后通过偏压补偿模块根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器进行补偿供电，以使单光子阵列传感器处于恒过电压状态。由此通过补偿供电偏压，实现了单光子阵列传感器的放大能力在-40℃～85℃的温度范围内保持稳定，也即是保持增益恒定，从而稳定激光雷达整机在不同工作温度下的测距性能，并且符合车规要求，解决了现有的单光子阵列传感器技术存在着激光雷达的测距能力会随着工作温度的升高而严重降低，从而限制了激光雷达的应用场合，无法达到车规要求的问题。
附图说明
图1涉及现有技术的单光子阵列传感器的击穿电压与温度的关系曲线示意图。
图2是本发明第一方面提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路的模块结构示意图。
图3是对应图2中温度传感模块的示例电路图。
图4是对应图2中第一实施例提供的偏压补偿模块的示例电路图。
图5是对应图2中第二实施例提供的偏压补偿模块的示例电路图。
图6是对应图5中Vpwm产生原理的波形示意图。
图7是本发明第二方面提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
上述的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法，通过温度传感模块与单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据温度值输出通讯信号；接着处理模块对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；最后通过偏压补偿模块根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器进行补偿供电，以使单光子阵列传感器处于恒过电压状态。由此通过补偿供电偏压，实现了单光子阵列传感器的放大能力在-40℃～85℃的温度范围内保持稳定，也即是保持增益恒定，从而稳定激光雷达整机在不同工作温度下的测距性能，并且符合车规要求。
图2示出了本发明第一方面提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
上述一种应用于单光子阵列传感器10的温度补偿电路，包括温度传感模块201、处理模块202以及偏压补偿模块203。
温度传感模块201与单光子阵列传感器10进行近场通信，用于获取预设区域内的温度值，并根据温度值输出通讯信号。
处理模块202与温度传感模块201连接，用于对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号。
偏压补偿模块203与处理模块202及单光子阵列传感器10连接，用于根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器10进行补偿供电，以使单光子阵列传感器10处于恒过电压状态。
作为本发明一实施例，上述温度传感模块201与单光子阵列传感器10既可以是集成化设置，也可以为分别单独设置，只要能使温度传感模块201近距离采集到单光子阵列传感器10所处环境的温度值即可。
作为本发明一实施例，上述处理模块202采用FPGA(现场可编程门阵列，Fieldprogrammable gate array)或者ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)实现。
其中，现场可编程门阵列是一种程序驱动逻辑器件，就像一个微处理器，其控制程序存储在内存中，加电后，程序自动装载到芯片执行。现场可编程门阵列一般由2个可编程模块和存储SRAM构成。CLB是可编程逻辑块，是现场可编程门阵列的核心组成部分，是实现逻辑功能的基本单元，主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等数字逻辑电路构成。
其中，ASIC芯片技术所有接口模块(包括控制模块)都连接到一个矩阵式背板上，通过ASIC芯片到ASIC芯片的直接转发，可同时进行多个模块之间的通信；每个模块的缓存只处理本模块上的输入输出队列，因此对内存芯片性能的要求大大低于共享内存方式。总之，交换矩阵的特点是访问效率高，适合同时进行多点访问，容易提供非常高的带宽，并且性能扩展方便，不易受CPU、总线以及内存技术的限制。
作为本发明一实施例，上述温度传感模块201由于与单光子阵列传感器10进行近场通信，获取预设区域内的温度值，也即是采集单光子阵列传感器10所处环境的温度值，并将该温度值转换为处理模块可识别的通讯信号，输出给处理模块。其中，预设区域指的是单光子阵列传感器10所处位置的特定范围内，例如；以单光子阵列传感器10为圆心，半径为5cm的圆形区域，或者以单光子阵列传感器10为中心，边长为8cm的正方形区域等。
图3示出了对应图2中温度传感模块的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，上述温度传感模块201包括第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第九电容C9以及温度传感芯片U3；
第九电阻R9的第一端与第十电阻R10的第一端接参考电压RX—+3.3V，第十电阻R10的第二端与温度传感芯片U3的输入端SCL共接并作为温度传感模块201的输入端，第九电阻R9的第二端与温度传感芯片U3的警报端ALERT以及指示灯TP3共接，温度传感芯片U3的接地端GND接地，第十一电阻R11的第一端接参考电压RX—+3.3V，第十一电阻R11的第二端与温度传感芯片U3的输出端SDA共接并作为温度传感模块201的输出端，第九电容C9的第一端与温度传感芯片U3的电压端V+接入参考电压RX—+3.3V，第九电容C9的第二端接地，温度传感芯片U3的电源端ADD0通过第十二电阻R12接入参考电压RX—+3.3V。
图4示出了对应图2中第一实施例提供的偏压补偿模块的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，上述偏压补偿模块包括数模转换器2031、信号调理器2032以及输出驱动器2033；
数模转换器2031的输入端接处理模块202，数模转换器2031的输出端接信号调理器2032的输入端，信号调理器2032的输出端接输出驱动器2033的输入端，输出驱动器2033的输出端接单光子阵列传感器10。
具体地，数模转换器2031、信号调理器2032以及输出驱动器2033都属于现有的器件。其中，数模转换器2031是用于将数字信号转变为模拟信号的电子元件；信号调理器2032是用于信号源和读出设备之间的信号调理器件，如衰减器、前置放大器、电荷放大器以及对传感器或放大器进行非线性补偿的电平转换器件；输出驱动器2033是用于输出驱动信号以驱动外部设备的电子器件。在本实施例中，数模转换器2031用于将数字控制信号转换为模拟信号，并经过信号调理器2032进行信号放大和调理后，通过输出驱动器2033输出对应的电压信号。
图5和图6分别示出了对应图2中第二实施例提供的偏压补偿模块的示例电路和Vpwm产生原理的波形，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，上述偏压补偿模块203包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电感L1、第一二极管D1、第一开关管Q1(图5采用场效应管表示)、运算放大器U2以及主控芯片U1；
第一电容C1的第一端、第二电容C2的第一端、第一电阻R1的第一端、第三电容C3的第一端以及主控芯片U1的输入端VIN共接，第一电阻R1的第二端、第三电容C3的第二端、第一开关管Q1的输出端以及主控芯片U1的感应端SENSE共接，第一开关管Q1的输入端与第一二极管D1的阴极以及第一电感L1的第一端共接，第一电感L1的第二端接地，第一二极管D1的阳极接第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端、第五电阻R5的第一端、第六电阻R6的第一端、第七电容C7的第一端以及主控芯片U1的负极端VFBN共接，第七电容C7的第二端与第五电阻R5的第二端以及主控芯片U1的正极端VFB共接，第一开关管Q1的受控端接主控芯片U1的门极端GATE，第六电阻R6的第二端与运算放大器U2的反相输入端以及输出端共接，运算放大器U2的正相输入端与第七电阻R7的第一端以及第八电容C8的第一端共接，第八电容C8的第二端接地，第七电阻R7的第二端接入脉冲信号，主控芯片U1的软启动输入管脚SS通过第四电容C4接地，主控芯片U1的反馈管脚ITH与第五电容C5的第一端以及第二电阻R2的第一端共接，第二电阻R2的第二端接第六电容C6的第一端，第五电容C5的第二端与第六电容C6的第二端接地，主控芯片U1的测试端FREQ通过第四电阻R4接地。
具体地，上述第一开关管Q1包括场效应管，
场效应管的漏极、源极以及栅极分别为第一开关管Q1的输入端、输出端以及受控端。
具体地，上述第一开关管Q1包括三极管，
三极管的集电极、发射极以及基极分别为第一开关管Q1的输入端、输出端以及受控端。
在图5中，主控芯片U1及其周边电路构成反压电路，其输出电压Vbias由第三电阻R3、第五电阻R5、第六电阻R6、主控芯片U1的正极端VFB以及Vpwm决定，计算公式如下：
Vbias＝-VFB×R3/R5-Vpwm×R3/R6
Vpwm＝VH×ρ
其中，VFB为固定电压0.8V，Vpwm为输入PWM信号(即脉冲信号)的平均值，其原理是通过对给定占空比的PWM信号进行低通滤波，得到直流分量，如图6所示；VH为数字信号高电平，固定为3.3V，ρ为PWM信号的占空比。
图7示出了本发明第二方面提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿方法的步骤流程，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本发明还提供了应用于单光子阵列传感器的温度补偿方法，包括以下步骤：
S101.采用温度传感模块与单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据温度值输出通讯信号；
S102.采用处理模块对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；
S103.采用偏压补偿模块根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器进行补偿供电，以使单光子阵列传感器处于恒过电压状态。
具体地，单光子阵列传感器进行补偿供电的偏压值与温度值的关系计算公式如下：
Vbias＝0.000497*T2+0.0104*T+23.54+Vov
其中，Vbias为所述偏压值，Vov为过电压值，T为所述温度值。
由于单光子阵列传感器的击穿电压随环境温度的变化是非线性的，本发明使用二次曲线拟合该曲线，对偏压进行补偿；以图1中的击穿电压温度变化曲线为例，可以得出：
Vbr＝0.000497×T2+0.0104×T+23.54
若设定单光子阵列传感器的过电压Vov＝10V，则偏压与环境温度的关系可按照如下公式计算：
Vbias＝0.000497×T2+0.0104×T+33.54
由此可以得出，通过上述的温度补偿装置及温度补偿方法，使得单光子阵列传感器的过电压保持恒定，保证激光雷达工作在-40℃～85℃范围内，测距性能保持稳定。
综上所述，本发明实施例提供的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路及方法，通过温度传感模块与单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据温度值输出通讯信号；接着处理模块对通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；最后通过偏压补偿模块根据数字控制信号，输出对应的电压信号以对单光子阵列传感器进行补偿供电，以使单光子阵列传感器处于恒过电压状态。由此通过补偿供电偏压，实现了单光子阵列传感器的放大能力在-40℃～85℃的温度范围内保持稳定，也即是保持增益恒定，从而稳定激光雷达整机在不同工作温度下的测距性能，并且符合车规要求，解决了现有的单光子阵列传感器技术存在着激光雷达的测距能力会随着工作温度的升高而严重降低，从而限制了激光雷达的应用场合，无法达到车规要求的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路，其特征在于，包括：
温度传感模块，与所述单光子阵列传感器进行近场通信，用于获取预设区域内的温度值，并根据所述温度值输出通讯信号；
处理模块，与所述温度传感模块连接，用于对所述通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；以及
偏压补偿模块，与所述处理模块及所述单光子阵列传感器连接，用于根据所述数字控制信号，输出对应的电压信号以对所述单光子阵列传感器进行补偿供电，以使所述单光子阵列传感器处于恒过电压状态；
所述偏压补偿模块包括：
第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电感、第一二极管、第一开关管、运算放大器以及主控芯片；
所述第一电容的第一端、所述第二电容的第一端、所述第一电阻的第一端、所述第三电容的第一端以及所述主控芯片的输入端共接，所述第一电阻的第二端、所述第三电容的第二端、所述第一开关管的输出端以及所述主控芯片的感应端共接，所述第一开关管的输入端与所述第一二极管的阴极以及所述第一电感的第一端共接，所述第一电感的第二端接地，所述第一二极管的阳极接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端、所述第五电阻的第一端、所述第六电阻的第一端、所述第七电容的第一端以及所述主控芯片的负极端共接，所述第七电容的第二端与所述第五电阻的第二端以及所述主控芯片的正极端共接，所述第一开关管的受控端接所述主控芯片的门极端，所述第六电阻的第二端与所述运算放大器的反相输入端以及输出端共接，所述运算放大器的正相输入端与所述第七电阻的第一端以及所述第八电容的第一端共接，所述第八电容的第二端接地，所述第七电阻的第二端接入脉冲信号，所述主控芯片的软启动输入管脚通过所述第四电容接地，所述主控芯片的反馈管脚与所述第五电容的第一端以及所述第二电阻的第一端共接，所述第二电阻的第二端接所述第六电容的第一端，所述第五电容的第二端与所述第六电容的第二端接地，所述主控芯片的测试端通过所述第四电阻接地；
所述偏压补偿模块输出对应的所述电压信号Vbias由所述第三电阻(R3)、所述第五电阻(R5)、所述第六电阻(R6)、所述主控芯片的正极端VFB以及Vpwm决定，计算公式如下：
Vbias＝-VFB×R3/R5-Vpwm×R3/R6
Vpwm＝VH×ρ
其中，VFB为固定电压0.8V，Vpwm为输入PWM信号的平均值，VH为数字信号高电平，ρ为所述PWM信号的占空比。
2.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述温度传感模块与所述单光子阵列传感器集成化设置或者分别单独设置。
3.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述温度传感模块包括：
第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第九电容以及温度传感芯片；
所述第九电阻的第一端与所述第十电阻的第一端接参考电压，所述第十电阻的第二端与所述温度传感芯片的输入端共接并作为所述温度传感模块的输入端，所述第九电阻的第二端与所述温度传感芯片的警报端以及指示灯共接，所述温度传感芯片的接地端接地，所述第十一电阻的第一端接所述参考电压，所述第十一电阻的第二端与所述温度传感芯片的输出端共接并作为所述温度传感模块的输出端，所述第九电容的第一端与所述温度传感芯片的电压端接入所述参考电压，所述第九电容的第二端接地，所述温度传感芯片的电源端通过所述第十二电阻接入所述参考电压。
4.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述处理模块采用现场可编程门阵列或专用集成电路实现。
5.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述第一开关管包括场效应管，
所述场效应管的漏极、源极以及栅极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及受控端。
6.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，所述第一开关管包括三极管，
所述三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及受控端。
7.一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的一种应用于单光子阵列传感器的温度补偿电路，包括：
采用温度传感模块与所述单光子阵列传感器进行近场通信，并获取预设区域内的温度值，以及根据所述温度值输出通讯信号；
采用处理模块对所述通讯信号进行转换处理后，输出数字控制信号；
采用偏压补偿模块根据所述数字控制信号，输出对应的电压信号以对所述单光子阵列传感器进行补偿供电，以使所述单光子阵列传感器处于恒过电压状态。
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