CN111309086A - Apd偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端，包括：APD偏压电路、温度检测电路、放大电路和控制终端；所述APD偏压电路在所述控制终端的控制下为所述APD提供偏置电压；所述放大电路将所述APD产生的暗电流放大为电压信号，并将所述电压信号发送至所述控制终端；所述温度检测电路采集所述APD的温度信息并将所述温度信息发送至所述控制终端；所述控制终端根据所述电压信号调节所述偏置电压以使所述暗电流为预设值，并在所述温度信息发生变化时，根据所述温度信息调节所述偏置电压以所述暗电流保持为所述预设值。本发明的APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端能获取APD在不同温度下的最佳增益状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种补偿电路，特别是涉及一种雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，APD)偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端。
背景技术
APD是一种在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流；加大反向偏压会产生“雪崩”(即光电流成倍地激增)的现象，因此这种二极管被称为雪崩光电二极管。
随着激光测距与激光雷达的快速应用发展，实现快速量产化已经是至关重要的环节。在激光测距与激光雷达量产过程中，APD的一致性是最大难题。APD厂家提供的APD都是一个大范围的技术参数。对于生产精密仪器来说，参数的未知或者APD的可靠性决定了产品的量产化。因此，需要准确确定APD的工作电压，准确对APD进行偏压以及温度补偿。
现有技术中，大多数APD检测仪器都是基于光纤通信类的APD进行偏压检测，其仪器只能检测0-70V以内的APD偏压，而激光测距以及激光雷达中使用的APD偏压在80V-300V之间，故无法进行正常检测。另外，现有的检测仪器只能进行当前温度下的APD偏压检测，满足不了大范围温度下的补偿。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端，能够根据采集到的APD暗电流自动调节APD偏压输出，能够根据环境温度自动对APD进行偏压补偿，从而获取APD在不同温度下的最佳增益状态。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种APD偏压补偿电路,包括：APD偏压电路、温度检测电路、放大电路和控制终端；所述APD偏压电路与APD和所述控制终端相连，用于在所述控制终端的控制下为所述APD提供偏置电压；所述放大电路与所述APD和所述控制终端相连，用于将所述APD产生的暗电流放大为电压信号，并将所述电压信号发送至所述控制终端；所述温度检测电路与所述APD和所述控制终端相连，用于采集所述APD的温度信息并将所述温度信息发送至所述控制终端；所述控制终端用于根据所述电压信号调节所述偏置电压以使所述暗电流为预设值，并在所述温度信息发生变化时，根据所述温度信息调节所述偏置电压以所述暗电流保持为所述预设值。
于本发明一实施例中，所述放大电路包括电流放大电路和跨阻放大电路；
所述电流放大电路的输入端与所述APD相连，输出端与所述跨阻放大电路的输入端相连，用于将所述暗电流信号放大为电流放大信号；
所述跨阻放大电路的输出端与所述控制终端相连，用于将所述电流放大信号放大为电压信号。
于本发明一实施例中，所述控制终端通过PWM信号控制所述APD偏压电路输出的偏置电压。
本发明提供一种上述的APD偏压补偿系统的补偿方法，应用于控制终端，包括以下步骤：
获取温度检测电路输出的温度信息；
获取放大电路输出的电压信号；
根据所述电压信号计算APD的暗电流；
若所述暗电流为预设值，则判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
于本发明一实施例中，还包括存储各个温度信息下APD的最佳偏置电压；基于采集到的温度信息将所述偏置电压调整为采集到的温度信息对应的最佳偏置电压。
于本发明一实施例中，还包括当前温度下调整预设次数所述APD偏压电路输出的偏置电压后，若所述暗电流仍然不为所述预设值，则判定所述APD不合格。
于本发明一实施例中，当放大电路包括相连的电流放大电路和跨阻放大电路时，所述暗电流Id＝(Vr-Va)/b*R，其中b为所述电流放大器的放大倍数，R为所述跨阻放大电路的反馈电阻，Vr为所述跨阻放大电路的基准电压，Va为所述电压信号；所述偏置电压Vapd＝K*Vbr，其中Vbr为Id＝10uA时APD上的偏置电压，K为已知常数。
对应地，本发明提供一种根据上述的APD偏压补偿系统的补偿系统，应用于控制终端，包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和调整模块；
所述第一获取模块用于获取放大电路输出的电压信号；
所述第二获取模块用于获取温度检测电路输出的温度信息；
所述计算模块用于根据所述电压信号计算APD的暗电流；
所述调整模块用于在所述暗电流为预设值时，判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的APD偏压补偿系统的补偿方法。
最后，本发明提供一种控制终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述控制终端执行上述的APD偏压补偿系统的补偿方法。
如上所述，本发明所述的APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端，具有以下有益效果：
(1)能够快速高效自动获取APD的在不同环境温度下的最佳偏压，极大地降低了工作量和人工成本；
(2)能够根据APD暗电流判断APD的可靠性，通过调节APD偏压输出的大小反复检测APD暗电流大小是否满足应用需求，若APD暗电流始终无法满足标定要求，即判断APD不合格；
(3)适用于激光雷达中的APD，偏压范围较大，且具有温度补偿功能。
附图说明
图1显示为本发明的APD偏压补偿电路于一实施例中的结构示意图；
图2显示为本发明的APD偏压补偿电路于一实施例中的框架示意图；
图3显示为本发明的APD偏压补偿方法于一实施例中的流程图；
图4显示为本发明的APD偏压补偿系统于一实施例中的结构示意图；
图5显示为本发明的控制终端于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
1 APD偏压电路
2 温度检测电路
3 放大电路
4 控制终端
41 第一获取模块
42 第二获取模块
43 计算模块
44 调整模块
51 处理器
52 存储器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端能够根据采集到的APD暗电流自动调节APD偏压输出，能够根据环境温度自动对APD进行偏压补偿，以获取APD在不同温度下的最佳增益状态，且适用于较大温度范围、较大偏压范围，尤其适用于激光雷达中的APD补偿。
如图1所示，于一实施例中，本发明的APD偏压补偿电路包括APD偏压电路1、温度检测电路2、放大电路3和控制终端4。
所述APD偏压电路1与APD和所述控制终端4相连，用于在所述控制终端4的控制下为所述APD提供偏置电压。
具体地，所述控制终端4通过发送PWM信号控制所述APD偏压电路输出的偏置电压。其中，所述APD偏压电路的电压输出端与所述APD的阴极连接，能输出50V-300V的可调电压，超低电源纹波，大电流，调节分辨率可达0.3V。
所述放大电路3与所述APD和所述控制终端4相连，用于将所述APD产生的暗电流放大为电压信号，并将所述电压信号发送至所述控制终端4。
具体地，所述放大电路3采集所述APD产生的暗电流，并将所述暗电流放大为一定的电压信号，并将所述电压信号传送至所述控制终端4，以供所述控制终端4根据所述电压信号判断所述暗电流的变化。
其中，APD产生的暗电流是指在无光照射环境下，APD输出的电流，通常该电流的大小会随着环境温度和偏置电压的变化而变化，即当温度温度不变偏置电压变化时，APD暗电流发生变化；当偏置电压不变温度变化时，暗电流也会发生变化。因此，在APD使用过程中需要结合环境温度对APD偏压进行补偿。
如图2所示，于一实施例中，所述放大电路3包括电流放大电路和跨阻放大电路；所述电流放大电路的输入端与所述APD相连，输出端与所述跨阻放大电路的输入端相连，用于将所述暗电流进一步放大为放大电流信号；所述跨阻放大电路的输出端与所述控制终端相连，用于将所述放大电流信号转换并放大为电压信号。具体地，所述暗电流Id输入所述电流放大电路进行放大。设定所述电流放大电路的放大倍数为b。放大后的暗电流再输入所述跨阻放大电路，放大为一定的电压信号。其中，设定所述跨阻放大电路的基准电压为Vr，由所述控制终端4输入，反馈电阻为R，则所述电压信号Va＝Vr-Id*b*R。可知，Id＝(Vr-Va)/b*R。因此，所述控制终端4可根据获取的电压信号计算出实时的暗电流Id。当Id＝10uA时候，APD的处于击穿状态，此时APD增益是最大，但是噪声自然增多，因此APD官方规定APD的最佳暗电流工作在Id<＝10uA。当Id＝10uA时，设定APD所承受的偏置电压为击穿电压Vbr,则最佳偏置电压Vapd＝k*Vbr，且Vapd>0V，其中K为系数，通常0.9或者0.85，该系数由厂家标定给出。
所述温度检测电路2与所述APD和所述控制终端4相连，用于采集所述APD的温度信息并将所述温度信息发送至所述控制终端4。
具体地，所述温度检测电路2用于采集所述APD的实时温度信息，以根据温度变化对所述APD的偏置电压进行补偿，从而使所述APD达到最佳增益状态。其中，不同的温度状态下，所述APD对应的最佳偏置电压是不同的，需要进行温度补偿。因此，所述控制终端4采用Fn{Id}＝Fn{T}&Fn{Vapd}表示当前Id对应的最佳偏置电压与温度关系，即温度和偏压变化都会影响暗电流。其中，Fn表示数学数组函数，Fn{Id}表示当前暗电流函数数组，Fn{T}表示当前温度函数数组，Fn{Vapd}表示当前反偏电压函数数组。
优选地，所述温度信息可以采用电压信号Vt表示。经过换算，电压信号Vt可以转换为温度T。
所述控制终端4用于根据所述电压信号调节所述偏置电压以使所述暗电流为预设值，并在所述温度信息发生变化时，根据所述温度信息调节所述偏置电压以所述暗电流保持为所述预设值。
具体地，所述控制终端4根据采集到的电压信号Va计算出当前暗电流Id。如果当前Id<10uA，所述控制系统4产生PWM信号控制所述APD偏压电路1调节输出更高的偏置电压，直到Id＝10uA。与此同时，所述温度检测电路2实时测量APD的温度变化，所述控制系统4记录下当前温度下的偏置电压，即最佳偏置电压Vapd。由于温度随着环境温度的变化将会影响APD的暗电流变化，因此，所述控制系统4将会在每个温度下进行调节APD偏压电路，使得暗电流达到10uA，并记录该温度下的最佳偏置电压Vapd。
当所述控制终端4获取各个温度下的最佳偏置电压后，进行记录和存储。当温度发生变化时，基于所记录的温度信息、电压信号和最佳偏置电压，查找匹配的最佳偏置电压，对APD进行偏压补偿，使之达到最佳增益状态。
优选地，所述控制终端4以高速32位微控制器为核心，用于实现以下功能：
(1)快速产生PWM信号调节APD偏压电路输出一定稳定的偏置电压；
(2)利用自身的高速ADC采集偏置电压输出，稳定当前APD偏压电路的输出，从而起到闭环控制的作用；同时能快速采集跨阻放大器输出的电压信号，根据采集到的电压信号计算APD的暗电流，根据暗电流反推出APD的当前温度下的最佳增益；还能实时采集来自温度检测电路的温度信息；
(3)采用高速DAC输出稳定的模拟电压，其输出直接与跨阻放大电路的基准电压端连接，从而很好的控制跨阻放大电路的输出信号。
如图3所示，于一实施例中，本发明的APD偏压补偿系统的补偿方法应用于控制终端，包括以下步骤：
步骤S1、获取放大电路输出的电压信号。
具体地，所述控制终端采集放大电路输出的电压信号Va。
步骤S2、获取温度检测电路输出的温度信息。
具体地，所述控制终端采集温度检测电路输出的温度信息Vt。
步骤S3、根据所述电压信号计算APD的暗电流。
具体地，所述控制终端基于公式Id＝(Vr-Va)/b*R计算所述APD的暗电流。
步骤S4、若所述暗电流为预设值，则判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
具体地，当所述暗电流为预设值，表明APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压，则记录该偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值，从而完成所述APD的偏压补偿。
于本发明一实施例中，本发明的APD偏压补偿系统的补偿方法还包括存储各个温度信息下的最佳偏置电压；基于采集到的温度信息，通过查表的方式将所述偏置电压调整为对应的最佳偏置电压，从而加快了APD偏压补偿的效率。
于本发明一实施例中，本发明的APD偏压补偿系统的补偿方法还包括调整预设次数后，若所述暗电流仍然不为所述预设值，则判定所述APD不合格。具体地，本发明能快速高效的获取APD的在不同环境温度下的最佳偏置电压，同时还能批量快速验证APD的好坏，如果反复调试APD的暗电流依然满足不到10uA，则判断该APD产品不合格。
如图4所示，于一实施例中，本发明的根据上述的APD偏压补偿系统的补偿系统应用于控制终端，包括第一获取模块41、第二获取模块42、计算模块43和调整模块44。
所述第一获取模块41用于获取放大电路输出的电压信号。
所述第二获取模块42用于获取温度检测电路输出的温度信息。
所述计算模块43与所述第一获取模块41相连，用于根据所述电压信号计算APD的暗电流。
所述调整模块44与所述第二获取模块42和所述计算模块43相连，用于在所述暗电流为预设值时，判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
需要说明的是，第一获取模块41、第二获取模块42、计算模块43和调整模块44的结构和原理与上述的APD偏压补偿系统的补偿方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如：x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现。此外，x模块也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，如中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。这些模块可以集成在一起，以片上系统(System-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
本发明的存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的APD偏压补偿系统的补偿方法。所述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
如图5所示，于一实施例中，本发明的控制终端包括：处理器51及存储器52。
所述存储器52用于存储计算机程序。
所述存储器52包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
所述处理器51与所述存储器52相连，用于执行所述存储器52存储的计算机程序，以使所述终端执行上述的APD偏压补偿系统的补偿方法。
优选地，所述处理器51可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述，本发明的APD偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端能够快速高效地获取APD的在不同环境温度下的最佳偏压，极大地降低了工作量和人工成本；能够根据APD暗电流判断APD的可靠性，通过调节APD偏压输出的大小反复检测APD暗电流大小是否满足应用需求，若APD暗电流始终无法满足标定要求，即判断APD不合格；适用于激光雷达中的APD，偏压范围较大，且具有温度补偿功能。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种APD偏压补偿电路，其特征在于：包括：APD偏压电路、温度检测电路、放大电路和控制终端；
所述APD偏压电路与APD和所述控制终端相连，用于在所述控制终端的控制下为所述APD提供偏置电压；
所述放大电路与所述APD和所述控制终端相连，用于将所述APD产生的暗电流放大为电压信号，并将所述电压信号发送至所述控制终端；
所述温度检测电路与所述APD和所述控制终端相连，用于采集所述APD的温度信息并将所述温度信息发送至所述控制终端；
所述控制终端用于根据所述电压信号调节所述偏置电压以使所述暗电流为预设值，并在所述温度信息发生变化时，根据所述温度信息调节所述偏置电压以所述暗电流保持为所述预设值。
2.根据权利要求1所述的APD偏压补偿电路，其特征在于：所述放大电路包括电流放大电路和跨阻放大电路；
所述电流放大电路的输入端与所述APD相连，输出端与所述跨阻放大电路的输入端相连，用于将所述暗电流放大为放大电流信号；
所述跨阻放大电路的输出端与所述控制终端相连，用于将所述放大电流信号放大为电压信号。
3.根据权利要求1所述的APD偏压补偿电路，其特征在于：所述控制终端通过PWM信号控制所述APD偏压电路输出的偏置电压。
4.一种根据权利要求1-3之一所述的APD偏压补偿系统的补偿方法，应用于控制终端，其特征在于：包括以下步骤：
获取放大电路输出的电压信号；
获取温度检测电路输出的温度信息；
根据所述电压信号计算APD的暗电流；
若所述暗电流为预设值，则判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
5.根据权利要求4所述的APD偏压补偿系统的补偿方法，其特征在于：还包括存储各个温度信息下APD的最佳偏置电压；基于采集到的温度信息将所述偏置电压调整为采集到的温度信息对应的最佳偏置电压。
6.根据权利要求4所述的APD偏压补偿系统的补偿方法，其特征在于：还包括当前温度下调整预设次数所述APD偏压电路输出的偏置电压后，若所述暗电流仍然不为所述预设值，则判定所述APD不合格。
7.根据权利要求4所述的APD偏压补偿系统的补偿方法，其特征在于：当放大电路包括相连的电流放大电路和跨阻放大电路时，所述暗电流Id＝(Vr-Va)/b*R，其中b为所述电流放大器的放大倍数，R为所述跨阻放大电路的反馈电阻，Vr为所述跨阻放大电路的基准电压，Va为所述电压信号；所述偏置电压Vapd＝K*Vbr，其中Vbr为Id＝10uA时APD上的偏置电压，K为已知常数。
8.一种根据权利要求1-3之一所述的APD偏压补偿系统的补偿系统，应用于控制终端，其特征在于：包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和调整模块；
所述第一获取模块用于获取放大电路输出的电压信号；
所述第二获取模块用于获取温度检测电路输出的温度信息；
所述计算模块用于根据所述电压信号计算APD的暗电流；
所述调整模块用于在所述暗电流为预设值时，判定APD偏压电路当前输出的偏置电压为所述温度信息下的最佳偏置电压；若所述暗电流不为所述预设值，则调整所述APD偏压电路当前输出的偏置电压，直至所述暗电流为预设值。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求4至7中任一项所述的APD偏压补偿系统的补偿方法。
10.一种控制终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述控制终端执行权利要求4至4中任一项所述的APD偏压补偿系统的补偿方法。
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| CN201811567559.7A CN111309086A (zh) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Apd偏压补偿电路、补偿方法及系统、存储介质及控制终端 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112702021A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-04-23 | 上海禾赛科技股份有限公司 | 获取光电二极管的击穿电压的电路及方法 |
| CN114994643A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 四川吉埃智能科技有限公司 | 一种激光测距中apd偏压调节方法及电路 |
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| CN103017729A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-04-03 | 王振兴 | 一种提高激光测距仪精度的方法 |
| CN108919870A (zh) * | 2018-09-19 | 2018-11-30 | 明峰医疗系统股份有限公司 | 一种通过常规芯片器件实时调节spm负高压偏压的方法 |
| CN209070403U (zh) * | 2018-12-21 | 2019-07-05 | 上海擎朗智能科技有限公司 | Apd偏压补偿电路 |
-
2018
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| CN114994643A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-02 | 四川吉埃智能科技有限公司 | 一种激光测距中apd偏压调节方法及电路 |
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