CN112162259B - 脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲激光测距领域，尤其涉及一种脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法，所述电路包括跨阻放大器、第一比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电流源、第二电流源、电容、第二比较器、计数器和缓冲器；跨阻放大器输出脉冲电压；第一比较器鉴别出激光的到达时刻，向计数器输出锁存信号并控制第二开关对缓冲器输出的电压信号采样；第二比较器向计数器输出计数脉冲并控制第三开关通过第二电流源对电容放电；利用门控信号控制第一开关并通过第一电流源对电容充电；缓冲器隔离后端电路对电容的充电电压的干扰；本发明引入受控的周期性三角波来扩展最大电压差幅度，提高了信号的噪声容限，保证在长距离测量时也能够获得高的时间分辨率。

Description

脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及脉冲激光测距领域，尤其涉及一种脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法。

背景技术

由于激光测距具有测量精度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，所以在汽车防撞、堤坝变形监测、空地安全监护、超高超宽检测、基础设施测量等众多领域得到了广泛应用。激光测距主要采用飞行时间测距法，即由激光发射模块发射光脉冲，光脉冲经过目标反射后再由光接收模块接收，通过测量光发射到光接收的时间间隔来测量目标到仪器之间的距离。

脉冲激光测距的精度很大程度上取决于飞行时间的测量精度。按照是否需要模数转换过程，飞行时间测量方法大致可以分为模拟测量与数字测量两大类。数字测量方法可以实现从时间到数字的直接转换，如抽头延迟线法、差分延迟线法等，随着半导体技术的进步和数字电路技术的成熟，数字测量方法越来越流行。但是，随着脉冲激光测距从单点式扫描测量向焦平面凝视测量方向发展，数字测量方法在大阵列时钟驱动、时钟精度一致性、单元间串扰以及功耗上逐渐显示出了自身的缺点和不足。

由于模拟测量方法在读出单元测量电路中不需要高频时钟，所述高频时钟通常为几百MHz，因此随着焦平面阵列规模的扩大，模拟测量方法又受到了青睐。图1为现有技术中一种基于时间电压转换电路：当门控信号G₁由低电平转换为高电平时，一方面激光对目标发射激光脉冲，另一方面开关S₁断开，电流源I₁对电容C₁进行充电，开始进行计时；当反射回的激光脉冲到达光接收模块后，跨阻放大器输出一个与激光脉冲波形相似的脉冲电压，所述脉冲电压高于参考电压V_REF时，比较器的输出反转为高电平，将采样开关S₂断开，此时对应的输出电压V_OUT即为脉冲激光达到时的电压；电压差V_OUT-V_L与脉冲激光的飞行时间T_S一一对应。

图1所示的时间电压转换电路在测量距离较短时，可获得较好的时间分辨率，但是随着测量距离的增加，时间分辨率很难提高到1ns以下。图2是图1所对应的时间电压转换电路的时序图；采用图1所示的单斜坡式的时间电压转换电路的最大电压差为V_H-V_L，其电压差幅度受限，造成信号的噪声容限不能够满足长距离测量对高精度时间分辨率的要求；例如，现有先进集成电路芯片通常工作在3.3V及以下的电源电压下，为保持良好的线性关系，电压差V_OUT-V_L通常最大为2V，若对应飞行时间为2μs，即最大测量距离为300米，则1mV的电压差信号对应1ns的飞行时间，但由于前端电路噪声、后端ADC量化噪声以及电源纹波的影响，几个mV的电路噪声便会造成几个ns的时间测量偏差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了脉冲激光时间电压转换电路及其控制方法；该方案可用于焦平面凝视脉冲激光测距并可获得高时间分辨率。

本发明的技术方案包括如下：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种脉冲激光时间电压转换电路，包括跨阻放大器、第一比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电流源、第二电流源、电容、第二比较器、计数器和缓冲器；

进一步的，这些器件及其组合达到时间电压转换的功能是通过以下内容进行实现的：

所述跨阻放大器将接收到的回波脉冲电流转换为脉冲电压；所述第一比较器从跨阻放大器中鉴别出激光的到达时刻，并向计数器输出信号；第一比较器的输出信号控制第二开关对缓冲器输出的电压信号进行采样；所述第二比较器的输入端连接电容，并向计数器输出计数脉冲；第二比较器的输出信号控制第三开关，并通过第二电流源对电容放电；所述计数器对接收到的计数脉冲进行计数；利用门控信号控制第一开关对电容的充电电压复位，并通过第一电流源对电容充电；所述缓冲器用于隔离后端电路对所述电容的充电电压的干扰。

进一步的，这些器件的连接方式可以为：

所述跨阻放大器的输入端连接输入端口，输出端与第一比较器的正相输入端连接，所述第一比较器的负相输入端连接第一参考电压；所述第一比较器的输出端连接计数器；所述第一电流源的输入端连接电源电压，其输出端连接电容的上极板，所述电容的下极板接地；所述第一开关的一端连接电容的上极板，另一端连接第二参考电压；所述第三开关的一端连接电容的上极板，另一端与第二电流源的输入端连接，所述第二电流源的输出端接地；所述第二比较器的输入端连接电容的上极板，其输出端与计数器的输入端连接，所述计数器的输出端连接第二输出端口；所述缓冲器的输入端连接电容的上极板，输出端与第二开关的一端连接，所述第二开关的另一端连接第一输出端口。

进一步的，所述第二比较器为迟滞比较器。

进一步的，所述第二电流源的电流大小是所述第一电流源的电流大小的两倍。

进一步的，在向被测目标发生脉冲激光信号时，所述门控信号切换为高电平，并控制第一开关断开。

进一步的，所述门控信号的高电平持续时间大于或等于最大测距量程。

进一步的，所述计数器采用双沿计数；所述计数器的计数值由第一比较器的输出信号控制锁存。

在上述脉冲激光时间电压转换电路的基础上，在本发明的第二方面，本发明还提供了一种用于控制上述脉冲激光时间电压转换电路的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

激光器向被测目标发生脉冲激光信号开始测量时，门控信号转换为高电平，控制第一开关断开，第一电流源对电容充电；

当所述电容的电压超过第二比较器的高电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号闭合第三开关；

第二电流源对电容放电，当所述电容的电压低于第二比较器的低电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号断开第三开关；

检测到被测目标返回的回波脉冲信号后，跨阻放大器将回波脉冲信号转换为脉冲电压；当跨阻放大器输出的脉冲电压超过第一比较器的负相端的第一参考电压；所述第一比较器的输出信号发生反转，将第二开关断开，并对计数器的计数值锁存；

将锁存的计数值作为高位数据，将第二开关断开前缓冲器输出的电压作为低位数据，计算出脉冲激光飞行时间所对应的电压信号。

进一步的，为了能够实现多次测量；在开始测量前以及完成测量后，控制门控信号为低电平来闭合第一开关，并将电容电压复位到第二参考电压。

本发明的有益技术效果：

本发明采用测量电压差的方式来获取脉冲激光飞行时间，通过对电容进行充放电对第二比较器的输出信号进行反转调制，能够形成周期性的三角波信号；将计数信号与输出的电压信号进行结合，从而得到脉冲激光飞行时间所对应的电压信号，本发明通过引入受控的周期性三角波来扩展最大电压差幅度，与现有的单斜坡时间电压转换电路相比，提高了信号的噪声容限，从而保证在长距离测量时也能够获得高的时间分辨率，能够用于焦平面阵列排布形式，实现焦平面凝视脉冲激光测距，实用性强。

附图说明

图1为现有的时间电压转换电路结构示意图；

图2为图1结构中时间电压转换的时序示意图；

图3为本发明的时间电压转换电路结构示意图；

图4为本发明的时间电压转换电路的控制方法流程图；

图5为图3结构中时间电压转换的时序示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，由于本发明实施例关注的是信号的电流或者电压，尤其是电压，因此本文中以各模块/单元/器件所输入/输出的为电流或者电压进行说明；本领域技术人员应当理解的是，实际上各模块/单元/器件所输入/输出的为信号。

本发明提供了一种脉冲激光时间电压转换电路，包括：跨阻放大器、第一比较器、第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第一电流源I₁、第二电流源I₂、电容C₁、第二比较器、计数器和缓冲器；

所述跨阻放大器将接收到的回波脉冲电流转换为脉冲电压；所述第一比较器从跨阻放大器中鉴别出激光的到达时刻，并向计数器输出信号；第一比较器的输出信号控制第二开关对缓冲器输出的电压信号进行采样；所述第二比较器的输入端连接电容，并向计数器输出计数脉冲；第二比较器的输出信号控制第三开关，并通过第二电流源对电容放电；所述计数器对接收到的计数脉冲进行计数；利用门控信号控制第一开关对电容的充电电压复位，并通过第一电流源对电容充电；所述缓冲器用于隔离后端电路对所述电容的充电电压的干扰。

在一个优选实施例中，本实施例给出了上述电路结构的一种具体的连接方式，如图3所示：

所述跨阻放大器的输入端连接输入端口V_IN，输出端与第一比较器的正相输入端连接，所述第一比较器的负相输入端连接第一参考电压V_REF；所述第一比较器的输出端连接计数器；所述第一电流源I₁的输入端连接电源电压，其输出端连接电容C₁的上极板，所述电容C₁的下极板接地；所述第一开关S₁的一端连接电容C₁的上极板，另一端连接第二参考电压V_L；所述第三开关S₃的一端连接电容C₁的上极板，另一端与第二电流源I₂的输入端连接，所述第二电流源I₂的输出端接地；所述第二比较器的输入端连接电容C₁的上极板，其输出端与计数器的输入端连接，所述计数器的输出端连接第二输出端口C_OUT；所述缓冲器的输入端连接电容C₁的上极板，输出端与第二开关S₂的一端连接，所述第二开关S₂的另一端连接第一输出端口V_OUT。

在上述连接方式中，所述第一开关S₁的闭合与断开由门控信号G₁控制，所述第二开关S₂的闭合与断开由所述第一比较器的输出信号控制，所述第三开关S₃的闭合与断开由所述第二比较器的输出信号控制；所述计数器的计数值锁存由比较器的输出信号控制。

在一些实施例中，所述第二比较器为迟滞比较器；迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。本发明可以利用迟滞比较器对于门限电压的限制，来控制信号的反转，扩大了电压差幅度；并且采用迟滞比较器也能够提高电路的抗干扰能力。

正是通过上述开关的设置，控制电流进行充放电，在电容的充电过程中，节点X的电压持续上升，在电容的放电过程中，节点X的电压持续下降；从而形成了三角波；使得第一输出端口V_OUT可以输出三角波形式的时间电压；并且本发明可以通过周期性的设置，构建出多个三角波的形式，扩展了最大电压，另外本发明通过第一比较器来控制计数器的计数锁存，合理发挥了电路中各器件的作用。

本发明的详细工作原理如下：

基于现有理论可知，由于先进集成电路芯片的工作电压范围限制，单斜坡式的时间电压转换电路的电压差幅度受限，造成信号的噪声容限不能够满足长距离测量对高精度时间分辨率的要求。本发明提出了一种时间电压转换电路，采用周期性的三角波来扩展电压差幅度，从而提高信号的噪声容限。

如图4所示，本发明提供了一种控制上述脉冲激光时间电压转换电路的方法，即一种脉冲激光时间电压转换电路的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、激光器向被测目标发生脉冲激光信号开始测量时，门控信号转换为高电平，控制第一开关断开，第一电流源对电容充电；

S2、当所述电容的电压超过第二比较器的高电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号闭合第三开关；

S3、第二电流源对电容放电，当所述电容的电压低于第二比较器的低电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号断开第三开关；

S4、检测到被测目标返回的回波脉冲信号后，跨阻放大器将回波脉冲信号转换为脉冲电压；当跨阻放大器输出的脉冲电压超过第一比较器的负相端的第一参考电压；所述第一比较器的输出信号发生反转，将第二开关断开，并对计数器的计数值锁存；

S5、将锁存的计数值作为高位数据，将第二开关断开前缓冲器输出的电压作为低位数据，计算出脉冲激光飞行时间所对应的电压信号。

在一些实施例中，为了实现多次测量或者周期性的测量；还包括在开始测量前以及完成测量后，控制门控信号为低电平来闭合第一开关，并将电容电压复位到第二参考电压。

具体来说，本发明是这样实现上述目的的：

参考如图3所示的电路图，所述第一电流源I₁与电容C₁的连接点为充放电节点X，这个充放电节点X可以是第一电流源的输出端、电容上级板、第一开关S1中非连接第二参考电压的一端、第二比较器的输入端、缓冲器的输入端。

测量前，将门控信号G₁设置为低电平，第一开关S₁闭合，节点X处的电压被复位到参考电压V_L；第二比较器的输出信号为低电平，将第三开关S₃断开；计数器复位到初始值0；同时，第一比较器的正相端电压低于负相端的第一参考电压V_REF，输出信号为低电平，第二开关S₂闭合，第一输出端口的输出电压V_OUT等于参考电压V_L。

测量时，激光器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G₁转换为高电平，第一开关S₁断开，此时第一电流源I₁开始对电容C₁进行充电。

节点X处的电压以速率I₁/C₁开始上升，当节点X处的电压上升到迟滞比较器的高电平阈值电压V_H时，第二比较器的输出信号发生反转，由低电平变为高电平；当第二比较器的输出信号发生由低到高的反转时，一方面利用输出信号的上升沿对计数器进行一次计数，另一方面利用输出信号的高电平闭合第三开关S₃。

当第三开关S₃闭合后，第二电流源I₂对电容C₁进行放电，在第二电流源I₂的电流是第一电流源I₁的两倍条件下，节点X处的电压以速率-I₁/C₁开始下降，当节点X处的电压下降到第二比较器的低电平阈值电压即参考电压V_L时，迟滞比较器的输出信号再次发生反转，由高电平变为低电平；当第二比较器的输出信号发生由高到低的反转时，一方面利用输出信号的下降沿对计数器进行一次计数，另一方面利用输出信号的低电平断开第三开关S₃。

其中，当第三开关S₃断开后，节点X处的电压又以速率I₁/C₁开始上升，依次重复上述过程，从而产生周期性的三角波形，一直持续到门控信号G₁变为低电平。

在光电探测器检测到回波脉冲激光之前，由于第二开关S₂一直处于闭合状态，因此输出端V_OUT将通过缓冲器跟随节点X处的电压变化。

在光电探测器检测到回波脉冲激光后，产生回波脉冲电流送到输入端口V_IN，并经跨阻放大器快速转换为脉冲电压。当跨阻放大器的输出脉冲电压高于第一比较器负相端的参考电压V_REF时，第一比较器的输出发生反转，由低电平变为高电平；当第一比较器的输出信号发生由低到高的反转时，一方面利用期输出信号将第二开关S₂断开，输出端V_OUT的电压保持在断开时的信号电压V_S处，另一方面利用输出信号对计数器的计数值进行锁存，输出端C_OUT的数据为第一比较器输出发生反转之前的计数值。

在后续信号处理时，将信号电压V_S通过A/D转换的数据作为低位数据，而输出端C_OUT的数据作为高位数据，便可得到脉冲激光飞行时间T_S所对应的电压信号。

待测量结束后，门控信号变为低电平，节点X处的电压被复位，等待下一次测量。

图5是本发明的脉冲激光时间电压转换电路的时序图，以接收到回波脉冲信号时为例，跨阻放大器将接收到的回波脉冲信号转换为脉冲信号；第一比较器输出该脉冲电压，该脉冲电压为高电平信号，能够控制第二开关断开，此时第一输出端口V_OUT输出的电压保持在断开时的Vs处；所以图5中，节点X的电压和第一输出端口V_OUT都为Vs电压；后续过程中，节点X电压仍然按照三角波形式发生变换，但第一输出端口仍然保持Vs电压；直至需要进入下一次测量，所有电压重新复位，回到测量前的状态。

如图2和图5所示，单斜坡式的时间电压转换电路的最大电压差为V_H-V_L，本发明通过引入受控的周期性三角波，将最大电压差扩展到M×(V_H-V_L)，其中，M表示三角波的周期；M＞1。因此，在相同时间分辨率条件下，本发明的信号噪声容限是单斜坡时间电压转换电路的M倍，反之，在相同电路噪声条件下，本发明的时间分辨率是单斜坡时间电压转换电路的1/M。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种脉冲激光时间电压转换电路，其特征在于，包括跨阻放大器、第一比较器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电流源、第二电流源、电容、第二比较器、计数器和缓冲器；

所述跨阻放大器将接收到的回波脉冲电流转换为脉冲电压；所述第一比较器从跨阻放大器中鉴别出激光的到达时刻，并向计数器输出信号；第一比较器的输出信号控制第二开关对缓冲器输出的电压信号进行采样；所述第二比较器的输入端连接电容，并向计数器输出计数脉冲；第二比较器的输出信号控制第三开关，并通过第二电流源对电容放电；所述计数器对接收到的计数脉冲进行计数；利用门控信号控制第一开关对电容的充电电压复位，并通过第一电流源对电容充电；所述缓冲器用于隔离后端电路对所述电容的充电电压的干扰；

所述跨阻放大器的输入端连接输入端口，输出端与第一比较器的正相输入端连接，所述第一比较器的负相输入端连接第一参考电压；所述第一比较器的输出端连接计数器；所述第一电流源的输入端连接电源电压，其输出端连接电容的上极板，所述电容的下极板接地；所述第一开关的一端连接电容的上极板，另一端连接第二参考电压；所述第三开关的一端连接电容的上极板，另一端与第二电流源的输入端连接，所述第二电流源的输出端接地；所述第二比较器的输入端连接电容的上极板，其输出端与计数器的输入端连接，所述计数器的输出端连接第二输出端口；所述缓冲器的输入端连接电容的上极板，输出端与第二开关的一端连接，所述第二开关的另一端连接第一输出端口；

所述第一开关的闭合与断开由门控信号控制，所述第二开关的闭合与断开由所述第一比较器的输出信号控制，所述第三开关的闭合与断开由所述第二比较器的输出信号控制；所述计数器的计数值锁存由第一比较器的输出信号控制；

所述第二电流源的电流大小是所述第一电流源的电流大小的两倍。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光时间电压转换电路，其特征在于，所述第二比较器为迟滞比较器。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光时间电压转换电路，其特征在于，在向被测目标发生脉冲激光信号时，所述门控信号切换为高电平，并控制第一开关断开。

4.根据权利要求3所述的一种脉冲激光时间电压转换电路，其特征在于，所述门控信号的高电平持续时间大于或等于最大测距量程。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲激光时间电压转换电路，其特征在于，所述计数器采用双沿计数。

6.一种用于控制如权利要求1~5任一所述的脉冲激光时间电压转换电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

激光器向被测目标发生脉冲激光信号开始测量时，门控信号转换为高电平，控制第一开关断开，第一电流源对电容充电；

当所述电容的电压超过第二比较器的高电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号闭合第三开关；

第二电流源对电容放电，当所述电容的电压低于第二比较器的低电平阈值电压时，所述第二比较器的输出信号发生反转，利用计数器对该输出信号进行一次计数，并利用该输出信号断开第三开关；

检测到被测目标返回的回波脉冲信号后，跨阻放大器将回波脉冲信号转换为脉冲电压；当跨阻放大器输出的脉冲电压超过第一比较器的负相端的第一参考电压；所述第一比较器的输出信号发生反转，将第二开关断开，并对计数器的计数值锁存；

将锁存的计数值作为高位数据，将第二开关断开前缓冲器输出的电压作为低位数据，计算出脉冲激光飞行时间所对应的电压信号。