CN110737189B - 脉冲激光间隔测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光间隔测量电路，包括跨阻放大器、峰值保持单元、延时控制单元、比较器、斜坡电压发生单元和采样单元；所述峰值保持单元用于获取跨阻放大器的输出电压峰值信息，所述延时控制单元用于控制峰值保持电路复位，所述斜坡电压发生单元用于输出与时间成线性关系的斜坡电压信号，所述采样单元用于对斜坡电压信号进行采样；所述斜坡电压发生单元的复位端和控制端，以及延时控制单元的第二输入端均连接门控信号。本发明采用测量电压差来获取脉冲激光间隔信息，从而解决了高频信号对焦平面脉冲激光间隔测量所带来的单元之间信号不一致和高功耗问题，能够用于多通道或焦平面阵列排布形式，实现焦平面阵列式脉冲激光测距，实用性强。

Description

脉冲激光间隔测量电路
技术领域
本发明涉及脉冲激光测距领域，特别涉及一种脉冲激光间隔测量电路。
背景技术
脉冲激光测距通过测量激光发射与激光接收之间的时间差来计算被测目标的距离，其关键技术包括：窄脉冲激光信号的发射、脉冲激光信号的接收以及发射与接收时间间隔的测量。脉冲激光测距的精度很大程度上取决于脉冲激光间隔测量的精度，在工业生产以及军事国防等领域，要求脉冲激光间隔测量的精度达到纳秒量级，有的甚至需要达到皮秒量级。
随着信息技术的发展，脉冲激光间隔测量技术也在不断地进步。图1为现有技术中一种基于时钟信号的脉冲激光间隔测量电路：在回波脉冲激光通过光电探测器转换为回波脉冲电流后，跨阻放大器将回波脉冲电流快速转换为脉冲电压；所述脉冲电压通过比较器与参考阈值电压VREF进行比较，获取回波脉冲信号的到达时刻；当门控信号高电平有效时，高频时钟一方面输入到主计数器进行粗时间测量，另一方面输入到延迟TDC电路中与比较器输出的脉冲到达时刻进行细时间测量；粗时间测量数值与细时间测量数值通过编码运算，得到准确的脉冲激光间隔信息。通过提高计数时钟频率并合理设计延时单元，图1所示的脉冲激光间隔测量电路可获得较高的测量精度。但是，随着光电探测器从单管向64×64、128×128、256×256等规模的焦平面阵列方向发展，一个光电探测单元对应一个通道的脉冲激光间隔测量电路，若采用图1所示电路结构，当时钟频率达到100MHz甚至更高频率时，很难确保每个通道的高频计数时钟保持时间上的一致性，同时当焦平面阵列的所有通道均处于工作状态时，高频率的时钟计数可使整体电路的功耗高达几瓦，若采用单片集成方案，整体电路将无法正常工作，甚至可能被烧毁。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种能够用于焦平面阵列式脉冲激光测距的脉冲激光间隔测量电路。
本发明的技术方案如下：
包括跨阻放大器、峰值保持单元、延时控制单元、比较器、斜坡电压发生单元和采样单元；所述峰值保持单元用于获取跨阻放大器的输出电压峰值信息，所述延时控制单元用于控制峰值保持电路复位，所述斜坡电压发生单元用于输出与时间成线性关系的斜坡电压信号，所述采样单元用于对斜坡电压信号进行采样；
所述跨阻放大器的输入端连接输入端口VIN，输出端与峰值保持单元的输入端电连接，所述峰值保持单元的输出端与比较器的正相输入端电连接，所述比较器的负相输入端连接阈值参考电压VREF，输出端与延时控制单元的第一输入端电连接，所述延时控制单元的第二输入端连接门控信号，输出端与峰值保持单元的复位端电连接；所述比较器的输出端还与采样单元的控制端电连接，所述采样单元的输出端连接输出端口VOUT，采样端与斜坡电压发生单元的输出端电连接，所述斜坡电压发生单元的复位端和控制端均连接门控信号。
进一步的，所述峰值保持单元包括运算放大器、第一电流源、场效应管PMOS1、场效应管NMOS1和电容C1；所述运算放大器的正相输入端与跨阻放大器的输出端电连接，负相输入端与场效应管PMOS1的源极电连接，所述场效应管PMOS1的栅极与延时控制单元的输出端电连接，漏极接地；
所述运算放大器的负相输入端还与场效应管NMOS1的源极电连接，所述场效应管NMOS1的源极通过电容C1接地，所述所述场效应管NMOS1的源极还与比较器的正相输入端电连接，所述场效应管NMOS1的栅极与运算放大器的输出端电连接，漏极与第一电流源的输出端电连接，所述第一电流源的输入端连接供电电源。
进一步的，所述延时控制单元包括反相器、延时模块和与门；所述反相器的输入端与比较器的输出端电连接，输出端通过延时模块和与门的第一输入端电连接，所述与门的第二输入端连接门控信号，输出端与峰值保持单元的复位端电连接。
进一步的，所述斜坡电压发生单元包括第二电流源、场效应管NMOS2、场效应管PMOS2和电容C2；所述第二电流源的输入端与连接供电电源，输出端与场效应管NMOS2的漏极电连接，所述场效应管NMOS2的栅极连接门控信号，源极与采样单元的采样端电连接，所述场效应管NMOS2的源极还通过电容C2接地；所述场效应管PMOS2的源极与场效应管NMOS2的源极电连接，栅极连接门控信号，漏极接地。
进一步的，所述第二电流源为可控电流源。
进一步的，在发射窄脉冲激光信号的同时，门控信号切换为高电平。
进一步的，门控信号的高电平持续时间与最大测距量程相适配。
有益效果：本发明采用测量电压差的方式来获取脉冲激光间隔信息，同时采用环路反馈结构生成内部采样控制信号，仅通过一个低频的动态门控信号便完成了脉冲激光间隔测量，适于采用单芯片集成实现，从而解决了高频信号对焦平面脉冲激光间隔测量所带来的单元之间信号不一致和高功耗问题，能够用于多通道或焦平面阵列排布形式，实现焦平面阵列式脉冲激光测距，实用性强。
附图说明
图1为现有脉冲激光间隔测量电路的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图2中主要电路结点的信号波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
如图2所示，本发明一种脉冲激光间隔测量电路，包括跨阻放大器1、峰值保持单元2、延时控制单元3、比较器4、斜坡电压发生单元5和采样单元6；所述峰值保持单元2包括运算放大器21、第一电流源22、场效应管PMOS1、场效应管NMOS1和电容C1，用于获取跨阻放大器的输出电压峰值信息；所述延时控制单元3包括反相器31、延时模块32和与门33，用于控制峰值保持电路2复位；所述斜坡电压发生单元5包括第二电流源51、场效应管NMOS2、场效应管PMOS2和电容C2，用于输出与时间成线性关系的斜坡电压信号；所述采样单元6用于对斜坡电压信号进行采样；
所述跨阻放大器1的输入端连接输入端口VIN，输出端与运算放大器21的正相输入端电连接，所述运算放大器21的负相输入端与场效应管PMOS1的源极电连接，所述场效应管PMOS1的漏极接地；所述运算放大器21的负相输入端还与场效应管NMOS1的源极电连接，所述场效应管NMOS1的源极通过电容C1接地，所述所述场效应管NMOS1的源极还与比较器4的正相输入端电连接，所述场效应管NMOS1的栅极与运算放大器21的输出端电连接，漏极与第一电流源22的输出端电连接，所述第一电流源22的输入端连接供电电源。
所述比较器4的负相输入端连接阈值参考电压VREF，输出端与反相器31的输入端电连接，所述反相器31的输出端通过延时模块32和与门33的第一输入端电连接，所述与门33的第二输入端连接门控信号，输出端与场效应管PMOS1的栅极电连接；所述比较器4的输出端还与采样单元6的控制端电连接，所述采样单元6的输出端连接输出端口VOUT。
所述第二电流源51为可控电流源，所述第二电流源51的输入端与连接供电电源，输出端与场效应管NMOS2的漏极电连接，所述场效应管NMOS2的栅极连接门控信号，源极与采样单元6的采样端电连接，所述场效应管NMOS2的源极还通过电容C2接地；所述场效应管PMOS2的源极与场效应管NMOS2的源极电连接，栅极连接门控信号，漏极接地。
本发明的详细工作原理如下：
如图2所示，所述场效应管NMOS1的源极与电容C1的连接点为峰值保持节点X，所述场效应管NMOS2的源极与电容C2的连接点为斜坡信号输出节点Y；测量前，门控信号为低电平，场效应管PMOS2开启，节点Y的电压被场效应管PMOS2复位为低电平；同时，与门33输出低电平，场效应管PMOS1开启，节点X的电压被场效应管PMOS1复位为低电平，比较器4的输出恒定为低电平，采样单元6不工作，反相器31输出高电平至与门33的第一输入端。
测量时，激光器(未标示)向被测目标发射窄脉冲激光信号，在发射脉冲激光的同时，门控信号转换为高电平，场效应管PMOS2关断，场效应管NMOS2开启，第二电流源51给电容C2充电，从而在节点Y处产生斜坡电压；与此同时，与门33输出高电平，场效应管PMOS1关闭，开始对脉冲激光间隔进行检测。
当光电探测器(未标示)检测到回波脉冲激光后，产生回波脉冲电流送到输入端口VIN，并经跨阻放大器1快速转换为脉冲电压送到运算放大器21的正相输入端，运算放大器21输出高电平，使场效应管NMOS1开启，第一电流源22给电容C1充电。由于运算放大器21和场效应管NMOS1形成负反馈结构，节点X处的电压先跟随跨阻放大器1的输出不断升高，当跨阻放大器1的输出达到峰值后，节点X处的电压保持跨阻放大器1输出的最大峰值电压；在此过程中，当节点X处的电压值大于阈值参考电压VREF时，比较器4发生反转输出高电平，一路送到采样单元6的控制端，使采样单元6工作，对节点Y处的斜坡电压进行采样，另一路通过反相器31后转化为低电平，再经延时单元32延时后送到与门33的第一输入端，使与门33输出低电平，场效应管PMOS1开启，对电容C1进行放电复位，节点X处的电压不断降低；在此过程中，当节点X处的电压下降至低于阈值参考电压VREF时，比较器4再次发生反转，输出低电平使采样单元6关断，结束对节点Y处斜坡电压的采样，此时，输出端口VOUT的电压值保持为采样单元6关断时的斜坡电压值。测量结束后，门控信号转换为低电平，场效应管PMOS2开启，电容C2放电复位，等待下一次测量。
如图3所示，将门控信号由低电平转变为高电平的时刻记为起始时刻t1，此时对应的斜坡电压V1作为起始电压；将比较器4的输出由高电平转换为低电平的时刻记为结束时刻t2，此时对应的斜坡电压V2作为结束电压。结束时刻t2是在回波脉冲前沿到达时刻基础上叠加了一个比较器4输出高电平的时间，该高电平产生的时间由所述比较器4、反相器31、延时单元32、与门33、场效应管PMOS1和电容C1构成的环路的反应时间决定，为一个固定值，能够进行消除，因此由结束时刻t2能够计算出回波到达时刻。由于斜坡电压信号呈线性，起始时刻t1与结束时刻t2的时间间隔t2－t1的数值与电压间隔V2－V1的数值一一对应，并且初始电压V1已知，因此通过获取电压V2的数值便可计算出脉冲激光来回的时间间隔。
门控信号的高电平持续时间由最大测距量程确定，从而确保在结束时刻t2时，门控信号仍保持高电平。另外，由于第二电流源51为可调电流源，当需要增大测距的最大测距量程时，在增加门控信号的高电平持续时间后，通过相应调节第二电流源51的输出电流值，能够避免出现电容C2在门控信号转换为低电平之前被充满，从而导致测量偏差的情况。
相比于现有技术，本发明在测量过程中不再使用高频时钟信号，而是将时间间隔信息转换为随时间变化的电压信息，不同的电压值对应不同的时间间隔；仅通过一个低频的动态门控信号便完成了脉冲激光间隔测量；采用内部延时反馈来产生采样控制信号，减少了电路中的动态控制信号，适于采用单芯片集成实现，从而解决高频信号对焦平面脉冲激光间隔测量所带来的单元之间信号不一致和高功耗问题，能够用于多通道或焦平面阵列排布形式，实现焦平面阵列式脉冲激光测距，实用性强。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：包括跨阻放大器(1)、峰值保持单元(2)、延时控制单元(3)、比较器(4)、斜坡电压发生单元(5)和采样单元(6)；所述峰值保持单元(2)用于获取跨阻放大器的输出电压峰值信息，所述延时控制单元(3)用于控制峰值保持单元(2)复位，所述斜坡电压发生单元(5)用于输出与时间成线性关系的斜坡电压信号，所述采样单元(6)用于对斜坡电压信号进行采样；
所述跨阻放大器(1)的输入端连接输入端口VIN，输出端与峰值保持单元(2)的输入端电连接，所述峰值保持单元(2)的输出端与比较器(4)的正相输入端电连接，所述比较器(4)的负相输入端连接阈值参考电压VREF，输出端与延时控制单元(3)的第一输入端电连接，所述延时控制单元(3)的第二输入端连接门控信号，输出端与峰值保持单元(2)的复位端电连接；所述比较器(4)的输出端还与采样单元(6)的控制端电连接，所述采样单元(6)的输出端连接输出端口VOUT，采样端与斜坡电压发生单元(5)的输出端电连接，所述斜坡电压发生单元(5)的复位端和控制端均连接门控信号；
所述峰值保持单元(2)包括运算放大器(21)、第一电流源(22)、场效应管PMOS1、场效应管NMOS1和电容C1；所述运算放大器(21)的正相输入端与跨阻放大器(1)的输出端电连接，负相输入端与场效应管PMOS1的源极电连接，所述场效应管PMOS1的栅极与延时控制单元(3)的输出端电连接，漏极接地；
所述运算放大器(21)的负相输入端还与场效应管NMOS1的源极电连接，所述场效应管NMOS1的源极通过电容C1接地，所述场效应管NMOS1的源极还与比较器(4)的正相输入端电连接，所述场效应管NMOS1的栅极与运算放大器(21)的输出端电连接，漏极与第一电流源(22)的输出端电连接，所述第一电流源(22)的输入端连接供电电源。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：所述延时控制单元(3)包括反相器(31)、延时模块(32)和与门(33)；所述反相器(31)的输入端与比较器(4)的输出端电连接，输出端通过延时模块(32)和与门(33)的第一输入端电连接，所述与门(33)的第二输入端连接门控信号，输出端与峰值保持单元(2)的复位端电连接。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：所述斜坡电压发生单元(5)包括第二电流源(51)、场效应管NMOS2、场效应管PMOS2和电容C2；所述第二电流源(51)的输入端与连接供电电源，输出端与场效应管NMOS2的漏极电连接，所述场效应管NMOS2的栅极连接门控信号，源极与采样单元(6)的采样端电连接，所述场效应管NMOS2的源极还通过电容C2接地；所述场效应管PMOS2的源极与场效应管NMOS2的源极电连接，栅极连接门控信号，漏极接地。
4.根据权利要求3所述的脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：所述第二电流源(51)为可控电流源。
5.根据权利要求1所述的脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：在发射窄脉冲激光信号的同时，门控信号切换为高电平。
6.根据权利要求1所述的脉冲激光间隔测量电路，其特征在于：门控信号的高电平持续时间与最大测距量程相适配。
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