CN111708000A - 一种信号整形电路、激光雷达及移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，公开了一种信号整形电路、激光雷达及移动机器人。信号整形电路包括峰值保持电路、分压电路以及比较电路，峰值保持电路可跟随输入信号的峰值电压变化而变化，分压电路与峰值保持电路连接，可根据输入信号的峰值输出参考电压，比较电路其中一输入端与分压电路连接，另一端被输入所述输入信号，比较电路可将输入信号与参考电压进行比较并根据比较结果输出整形信号，以便后续对整形信号进行数字信号处理，得到相应的二进制信息。由于比较电路的参考电压跟随输入信号的峰值电压变化，使得信号整形电路输出波形具有良好的稳定性和一致性。

Description

一种信号整形电路、激光雷达及移动机器人

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种信号整形电路、激光雷达及移动机器人。

背景技术

信号波形整形是指：对输入信号的波形进行整形，输出方波以便后续进行处理，以解析出原始信号的处理方式。例如，一般的信号波形整形为：当信号的电压高于其峰值电压的一半，输出高电平，当信号的电压低于其峰值电压的一半时，输出低电平，从而形成方波信号输出。其中，信号波形整形主要是通过整形电路实现，而传统的整形电路是通过一个固定的参考电压来替代峰值电压的一半，通过比较器将输入信号与一个固定的参考电压进行比较，当信号的电压高于参考电压时，输出高电平，当信号的电压低于参考电压时，输出低电平，从而形成方波信号。

发明人在实现本发明的过程中，发现传统的整形电路至少存在以下技术问题：由于光电器件的电光效率、灵敏度、温度特性都存在很大的离散性和波动性，导致整形电路的输入信号的峰值电压会由于通信信号的传输或转换上的差异，使得信号峰值出现较大的离散性和波动性，由于当参考电压是固定不变的，容易造成比较器的比较结果不符合实际情况，使得整形后输出的波形与实际需要输出的波形存在偏差，因此此种整形电路尚需改进当此种偏差较大时，将会导致误码出现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种信号整形电路、及激光雷达及移动机器人，能够解决传统整形电路因输入信号峰值变化，使得整形输出的波形与原始波形存在偏差，从而导致误码出现的技术问题不理想的技术问题。

本发明实施例为解决上述技术问题提供了如下技术方案：

在第一方面，本发明实施例提供了一种信号整形电路，包括：峰值保持电路，与信号输入模块连接，并且所述峰值保持电路的电压跟随所述信号输入模块输出的信号的峰值电压变化而变化；分压电路，与所述峰值保持电路连接，用于将所述峰值电压进行分压后输出参考电压；比较电路，所述比较电路的第一输入端用于与所述信号输入模块连接，所述比较电路的第二输入端与分压电路连接，所述比较电路用于将所述信号输入模块输出的信号的电压与所述分压电路输出的参考电压进行比较，并根据比较结果输出整形信号。

可选地，所述峰值保持电路包括开关电路及电压保持电路，所述开关电路的一端与所述信号输入模块连接，所述开关电路的另一端分别与所述电压保持电路的一端及所述分压电路的一端连接，所述电压保持电路的另一端与所述分压电路的另一端连接，所述电压保持电路与所述分压电路并联。

可选地，所述开关电路包括运算放大器及第一二极管，所述运算放大器的同相输入端与所述信号输入模块连接，所述运算放大器的反向输入端分别与所述第一二极管的阴极、所述电压保持电路及所述分压电路连接，所述运算放大器的输出端与所述第一二极管的阳极连接。

可选地，所述开关电路包括第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述信号输入模块连接，所述第二二极管的阴极分别与所述电压保持电路及所述分压电路连接。

可选地，所述开关电路包括三极管，所述三极管的基极与所述信号输入模块连接，所述三极管的集电极用于与外部电源连接，所述三极管的发射极分别与所述电压保持电路及所述分压电路连接。

可选地，所述电压保持电路包括电容。

可选地，所述分压电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的一端与所述电压保持电路连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，并且所述第一电阻与所述第二电阻之间的连接节点与所述比较电路的第二输入端连接，所述第二电阻的另一端接地。

可选地，其特征在于，所述比较电路包括比较器，所述比较器的同相输入端与所述分压电路连接，所述比较器的反向输入端与所述信号输入模块连接，所述比较器的输出端用于输出所述整形信号。

在第二方面，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括如上所述的信号整形电路。

在第三方面，本发明实施例提供了一种移动机器人，包括如上所述的激光雷达。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术，提供了一种信号整形电路、激光雷达及移动机器人。信号整形电路包括峰值保持电路、分压电路及比较电路，峰值保持电路可跟随输入信号的峰值电压变化而变化，分压电路与峰值保持电路连接，可根据输入信号的峰值输出参考电压，比较电路其中一输入端与分压电路连接，另一端被输入所述输入信号，比较电路可将所述输入信号与参考电压进行比较，并根据比较结果输出整形信号以便后续对整形信号进行数字信号处理，得到相应的二进制信息，使得信号整形电路输出波形具有良好的稳定性和一致性。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1a及图1b为一种激光雷达的结构示意图；

图2为现有技术提供一种整形电路结构示意图；

图3为图2中整形电路对信号进行整形的波形图；

图4为本发明实施例提供一种信号整形电路的结构示意图；

图5为图4中提供一种峰值保持电路的结构示意图；

图6为本发明实施例提供一种信号整形电路对信号进行整形的波形图；

图7为图5中提供一种开关电路的结构示意图；

图8为图5中提供一种开关电路的结构示意图；

图9为图5中提供一种开关电路的结构示意图；

图10为本发明另一实施例提供一种信号整形电路的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更加详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供的信号整形电路能够应用于任意需要实现信号整形功能的电子设备或装置，例如音频处理设备、激光雷达或者使用该激光雷达的移动机器人等。当本发明实施例提供的信号整形电路应用于电子设备或激光雷达上时，可实现电子设备或激光雷达中用于信号处理的整形电路的输出信号波形具有良好的稳定性以及一致性，从而能够很好地解析出原始数据信号。

其中，激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等信息的探测系统。激光雷达一般包括发射模块、接收模块及信号处理模块这三个部分，其工作原理是发射模块向目标发射激光束作为探测信号,然后接收模块接收从目标反射回来的回波信号，信号处理模块将回波信号作适当处理后,就可获得目标的有关信息。

请一并参阅图1a及图1b，如图1a所示，激光雷达包括旋转部10 和固定部20，旋转部10包括用于产生光信号的电光转换模块101，固定部20包括用于接收光信号并将光信号转换成电信号的光电转换模块201以及用于对电信号进行处理的电路板。其中，旋转部10可相对于固定部20旋转。

如图1b所示，在通信时，通信信息从雷达旋转部10传递到雷达固定部20，首先用数据驱动电光转换模块101中的LED转换成光信号，雷达固定部20的光电转换模块201接收光信号并将光信号转换成相应的电信号，然后电信号输入到电路板中的整形电路，从而实现波形整形后输出原始数据信号。

请参阅图2，图2为现有技术提供一种整形电路的结构示意图。如图2所示，该整形电路包括比较器和为比较器提供固定参考电压的分压电路，输入信号Vin输入到比较器的其中一个输入端，固定参考电压Vref 输入到比较器的另一个输入端，以图2为例，输入信号Vin输入到比较器的同相输入端，固定参考电压Vref输入到比较器的反向输入端，当输入信号Vin的电压大于固定参考电压Vref时，比较器的输出端输出高电平，反之则输出低电平，由此比较器的输出端输出输入信号Vin的方波信号Vout。

当该整形电路应用于上述的激光雷达上时，由于制造工艺的一致性问题，LED的电光效率、光电器件的灵敏度、高低温特性等存在较大的离散性，以及LED由于长时间工作导致亮度衰减等情况，使得光电器件输出的电信号强度(幅值)在很大范围内波动，因此，若使用图2所示的整形电路对该电信号进行处理，将会导致比较器输出的方波信号存在一定的偏差，如图3所示，输入波形1为光电器件输出的较强电信号的波形曲线，输入波形2为光电器件输出的较弱电信号的波形曲线，整形波形1为对输入波形1进行整形后输出的方波，整形波形2为对输入波形2进行整形后输出的方波，可见，由于输入波形的幅值存在较大范围的离散性，从而导致对输入波形进行整形后的输出的方波信号的高电平与低电平占比出现较大偏差，当偏差达到一定程度时，数据解码会出现错误。

基于上述的缺陷，本发明实施例提供一种信号整形电路。请参阅图 4，图4为本发明实施例提供一种信号整形电路的结构示意图。如图4 所示，信号整形电路200包括峰值保持电路21、分压电路22及比较电路23。

峰值保持电路21与信号输入模块100连接，峰值保持电路21可跟随信号输入模块100输出的信号的峰值电压变化而变化。例如，当信号输入模块100输出的信号的峰值电压较高时，峰值保持电路21可保持与该较高峰值电压相等的电压，当峰值电压较低时，峰值保持电路21 可保持与该较低峰值电压相等的电压，因此，峰值保持电路21可保持信号输入模块输出的信号的不同峰值电压。其中，信号输入模块100可以是任意的可输出待整形信号的器件或装置，例如可以是激光雷达中的光电器件或光电转换器等等。

分压电路22与峰值保持电路21连接，分压电路22可将峰值保持电路21所保持的峰值电压进行分压后输出参考电压。其中，参考电压通过分压电路22与输入信号的峰值电压成一定的比例关系，也即参考电压的大小根据输入信号的峰值电压大小进行自适应的调整，跟随输入信号的峰值电压变化。

比较电路23包括第一输入端、第二输入端及输出端，比较电路23 的第一输入端与信号输入模块连接，比较电路23的第二输入端与分压电路23连接，比较电路23通过将信号输入模块输出的信号与分压电路 23输出的电压进行比较，根据比较结果在其输出端输出整形信号。

在本实施例中，由于输入到比较电路23的参考电压是跟随输入信号的峰值电压变化而等比例自动调节的，与传统整形电路将固定参考电压与输入信号相比，本实施例的信号整形电路能够保证在比较电路23 输出的电平可以在输入信号的电压发生变化时发生翻转，因此，可有效提高比较电路23输出的方波信号的稳定性和一致性，避免在后续的信号处理中出现误码的问题。

在一些实施例中，请参阅图5，图5为图4中提供一种峰值保持电路的结构示意图。如图5所示，峰值保持电路21包括开关电路211及电压保持电路212，开关电路211的一端与信号输入模块100连接，开关电路211的另一端分别与电压保持电路212一端及分压电路22的一端连接，电压保持电路212另一端与分压电路22的另一端连接，电压保持电路212与分压电路22并联。

开关电路211用于根据输入信号的电压幅值来完成开关动作，当输入信号的电压处于上升阶段时，并且在某一时刻该电压使得开关电路 211闭合，此时，输入的电压通过开关电路211向电压保持电路212电路充电，此后，输入信号的电压经过峰值，因此电压保持电路212电路可在开关电路211闭合时保持住峰值电压。经过峰值后，输入信号的电压开始下降，当电压在下降过程中，并且在某一时刻该电压使得开关电路211断开，输入的电压停止为电压保持电路212电路充电，电压保持电路212保持充电电压，然后电压保持电路212通过放电以获取下一个峰值电压。因此，在输入的电压的波形变化过程中，开关电路211与电压保持电路212配合，总是能够获取并保持输入信号的峰值电压。

请参阅图6，图6为本发明实施例提供一种信号整形电路对信号进行整形的波形图。如图6所示，参考电压是跟随输入信号的峰值电压变化而等比例自动调节的，使得比较电路23的输出电平总是能够跟随输入信号的峰值电压发生翻转，从而整形输出波形具有良好的稳定性和一致性。

因此，分压电路22通过将峰值电压进行分压后作为参考电压输入到比较电路23中，比较电路23通过将该参考电压和输入电压进行比较后输出整形信号，由于参考电压是跟随输入信号的峰值变化而等比例自动调节的，使得比较电路23的输出电平总是能够跟随输入信号的峰值电压发生翻转，即使输入波形的幅值存在一定程度的离散性，也不会造成比较电路23的输出方波的高低电平占比出现偏差的情况，从而能够正确还原出原始数据信号。

值得说明的是，在本实施例中，在不违背本发明构思的基础上，开关电路211可以被构建成任意形式，其可包括但不限于以下任意一种器件：二极管、运算放大器、三极管、可控硅、IGBT(绝缘栅双极性晶体管)等等。电压保持电路212至少能够实现储存电压的功能，可储存电压的器件包括但不限于电容。

在一些实施例中，如图7所示，图7为图5中提供一种开关电路的结构示意图。如图7所示，开关电路211包括运算放大器U1及第一二极管D1，运算放大器U1的同相输入端与信号输入模块100连接，运算放大器U1的反向输入端分别与二极管D1的阴极、电压保持电路212及分压电路22连接，运算放大器U1的输出端与二极管D1的阳极连接。

在本实施例中，运算放大器U1引入了负反馈，使得反馈点的电压跟随运算放大器U1的同相输入端。运算放大器U1对输入电压Vi和输出电压Vo之间的电压差值进行放大，然后运算放大器U1输出放大后的电压信号。当输入电压Vi大于输出电压Vo时，运算放大器U1输出高电压，二极管D1导通，运算放大器U1的输出电压通过二极管D1对电压保持电路212充电；当输入电压Vi小于输出电压Vo时，运算放大器 U1输出低电压，二极管D1截止，电压保持电路212保持并稳定充电电压(峰值电压)。

可以理解的是，如果输入阻抗低或者输入阻抗不固定，电压保持电路212或分压电路22会对输入信号产生影响，也即，其对原始信号会造成一定的失真，使得整形输出波形具有较大的偏差，严重时会导致误码的出现。而在本实施例中，由于运算放大器U1具有足够高的输入阻抗，从而有效地消除电压保持电路212或分压电路22对输入信号的影响，并且运算放大器U1为有源电路，相对于无源电路，运算放大器U1 具有很高的响应速度和驱动力，由于响应速度极高，几乎与原始信号在一个上升沿周期，即可建立起参考电压，从而有效避免误码的出现。

在一些实施例中，如图8所示，图8为图5中提供一种开关电路的结构示意图。如图8所示，开关电路211包括第二二极管D2，二极管 D2的阳极与信号输入模块100连接，二极管D2的阴极分别与电压保持电路212及分压电路22连接。

在本实施例中，当输入电压处于上升阶段，并且在某一时刻的电压大于二极管D2的导通压降时，二极管D2导通，输入电压通过二极管D2 给电压保持电路212充电，电压保持电路212的保持的电压逐渐上升到输入电压的峰值与二极管D2导通压降的电压差值，当输入电压处于下降阶段，并且在某一时刻的电压小于二极管D2的导通压降时，二极管 D2截止，输入电压停止为电压保持电路212充电，电压保持电路212保持峰值电压与二极管D2导通压降的电压差值。

在一些实施例中，如图9所示，图9为图5中提供一种开关电路的结构示意图。如图9所示，开关电路211包括三极管Q1，三极管Q1的基极与信号输入模块100连接，三极管Q1的集电极与外部电源VCC连接，三极管Q1的发射极分别与电压保持电路212及分压电路22连接。

在本实施例中，若信号输入模块100输出的电压处于上升阶段，并且在某一时刻的电压满足三极管Q1的导通条件时，三极管Q1导通，输入电压通过三极管Q1的基极和发射极为电压保持电路212充电，电压保持电路212的保持的电压逐渐上升到接近输入电压的峰值，此后，输入的电压处于下降阶段，并且在某一时刻的电压不满足三极管Q1的导通条件时，三极管Q1关断，输入电压停止对电压保持电路212充电。

由于三极管Q1本身具有较高的输入阻抗，因此可有效消除电压保持电路212或分压电路22对输入信号的影响，并且信号传输路径的延迟足够低，参考电压的建立与输入电压之间几乎没有延迟，从而能够有效避免误码的出现。

在一些实施例中，请参阅图10，图10为本发明另一实施例提供一种信号整形电路的结构示意图。如图10所示，电压保持电路212包括电容C1。电容C1充电时可获取并保持峰值电压，电容C1与分压电路 22并联，因此电容C1在保持当前峰值电压后，通过利用分压电路22进行放电以便保持下一个峰值电压，如此周期性地充放电，使得电容C1 能够获取并保持每一个峰值电压。在实际应用中，电容C1选取的容值为1uF(微法)。

在一些实施例中，如图10所示，分压电路22包括第一电阻R1及第二电阻R2，电阻R1的一端与电压保持电路212连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，并且电阻R1与电阻R2之间的连接节点22a 与比较电路23的第二输入端连接，电阻R2的另一端接地。在实际应用过程中，电阻R1、电阻R2的阻值分别为10KΩ(千欧姆)和12KΩ。

在本实施例中，电阻R1和电阻R2用于对电压保持电路212保持的峰值电压进行分压，电阻R1与电阻R2之间的连接节点22a的电压即为与输入信号峰值等比例的电压，并且该电压是随着输入信号的峰值变化而变化的，因此，通过将该电压作为可调节的参考电压输入到比较电路 23中，可整形得到稳定性和一致性较为理想的方波信号。

可以理解的是，若输入信号为近似三角波的波形，那么，为实现整形输出的方波信号的高低电平的时间占比为50％：50％，便于后续的数字信号处理，可以通过调节分压电路22中电阻R1和电阻R2的阻值，以使参考电压刚好为峰值电压的一半，保证高低电平的时间占比偏差不会超过3％。当然，在特定的应用场景下，可以根据实际需求灵活调节电阻R1和电阻R2的分压比例，从而得到理想的整形输出波形。

在一些实施例中，如图10所示，比较电路23包括比较器U2，比较器U2的同相输入端与分压电路22连接，比较器U2的反向输入端与信号输入模块100连接，比较器U2的输出端可输出整形信号。

在本实施例中，比较器U2的同相输入端被输入可自动调节的参考电压Vr，比较器U2的反向输入端被输入信号输入模块100输出的信号的电压(输入电压)Vi，当参考电压Vr大于输入电压Vi时，比较器U2 的输出端Vout输出高电平，当参考电压Vr小于输入电压Vi时，比较器U2的输出端Vout输出低电平，从而比较器U2的输出端Vout输出随着输入信号变化的方波信号。

可以理解的是，比较器U2的同相输入端可与信号输入模块100连接，被输入输入信号，比较器U2的反相输入端与分压电路22连接，被输入参考电压，在不违背本发明构思的基础上，比较器U2的同相输入端和反向输入端可以根据业务需求被输入具体的信号类型，本发明实施例不对此作出具体限定。

在第二方面，本发明实施例提供一种激光雷达，包括如上所述的信号整形电路。

在第三方面，本发明实施例提供一种移动机器人，包括如上所述的信号整形电路。

最后要说明的是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本发明的思路下，上述各技术特征继续相互组合，并存在如上所述的本发明不同方面的许多其它变化，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种信号整形电路，其特征在于，包括：

峰值保持电路，与信号输入模块连接，并且所述峰值保持电路的电压跟随所述信号输入模块输出的信号的峰值电压变化而变化；

分压电路，与所述峰值保持电路连接，用于将所述峰值电压进行分压后输出参考电压；

比较电路，所述比较电路的第一输入端与所述信号输入模块连接，所述比较电路的第二输入端与分压电路连接，所述比较电路用于将所述信号输入模块输出的信号的电压与所述分压电路输出的参考电压进行比较，并根据比较结果输出整形信号。

2.根据权利要求1所述的信号整形电路，其特征在于，所述峰值保持电路包括开关电路及电压保持电路，所述开关电路的一端与所述信号输入模块连接，所述开关电路的另一端分别与所述电压保持电路的一端及所述分压电路的一端连接，所述电压保持电路的另一端与所述分压电路的另一端连接，所述电压保持电路与所述分压电路并联。

3.根据权利要求2所述的信号整形电路，其特征在于，所述开关电路包括运算放大器及第一二极管，所述运算放大器的同相输入端与所述信号输入模块连接，所述运算放大器的反向输入端分别与所述第一二极管的阴极、所述电压保持电路及所述分压电路连接，所述运算放大器的输出端与所述第一二极管的阳极连接。

4.根据权利要求2所述的信号整形电路，其特征在于，所述开关电路包括第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述信号输入模块连接，所述第二二极管的阴极分别与所述电压保持电路及所述分压电路连接。

5.根据权利要求2所述的信号整形电路，其特征在于，所述开关电路包括三极管，所述三极管的基极与所述信号输入模块连接，所述三极管的集电极用于与外部电源连接，所述三极管的发射极分别与所述电压保持电路及所述分压电路连接。

6.根据权利要求2所述的信号整形电路，其特征在于，所述电压保持电路包括电容。

7.根据权利要求1所述的信号整形电路，其特征在于，所述分压电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的一端与所述电压保持电路连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端连接，并且所述第一电阻与所述第二电阻之间的连接节点与所述比较电路的第二输入端连接，所述第二电阻的另一端接地。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的信号整形电路，其特征在于，所述比较电路包括比较器，所述比较器的同相输入端与所述分压电路连接，所述比较器的反向输入端与所述信号输入模块连接，所述比较器的输出端用于输出所述整形信号。

9.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的信号整形电路。

10.一种移动机器人，其特征在于，包括如权利要求9所述的激光雷达。

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