CN114829889A - 光到频率调制器 - Google Patents

Abstract

一种测量光强度的方法，包括将光电二极管暴露于光以使光电二极管提供第一极性的电流，将所述电流提供给积分器以对所述电流进行积分来提供积分输出电压，以及将输出电压与阈值电压进行比较。与所述第一极性相反极性的电荷包被施加，以在积分时间开始之前重置积分电压。在积分时间结束时，光电二极管与所述积分器断开，并且参考电压耦合到积分器输入，同时将电阻耦合到电路中，直到比较信号切换。监测比较信号以测量积分时间结束与比较信号的切换之间的时间，以提供残差电压的测量。

Description

光到频率调制器

技术领域

本公开涉及光到频率调制器。

背景技术

光学传感器装置通常包括作为光检测器的光电二极管，并测量流过光电二极管的光电流。光学传感器装置可以将光电流转换成数字信号。例如，光学传感器装置可以实现为光到频率电路，也称为光到频率机或引擎，缩写为LTF引擎。LTF引擎可以通过对光电流进行积分并使用比较器将积分信号与阈值进行比较来生成数字信号。该设备的输出是方波或脉冲流，其频率与光强度成线性比例。在典型的配置中，处理器12在称为“积分时间”的固定时间段内对由比较器生成的脉冲的数量进行计数。积分时间内的脉冲计数与光强度成比例。检测到的数字信号的准确度取决于在积分和比较期间使用的参考值。

在诸如图1所示的典型LTF引擎中，当对光电流进行积分时，每次积分信号越过阈值时，与光电流相比具有相反极性的明确定义的电荷包被提供给积分器的输入，用于将积分过程设置为定义的状态。在预定义的积分时间期间重复该过程，并且在积分阶段期间对阈值的每次越过进行计数。计数的准确度受到明确定义的电荷包的大小的限制。具体地，在给定积分时间内的最终脉冲与该积分时间结束之间将存在一时间段，即在该时间段期间没有足够的时间来生成另一脉冲。

WO2019011543描述了一种改进的构思，其使用第二(不一定是明确定义的)电荷包来确定在积分阶段结束时的充电状态与对应阈值之间的这种较小电荷包的残差计数。换句话说，在积分时间结束时将小电荷包递增地添加到积分电荷以“计数到”切换阈值。通过将在积分时间结束时获得的初级计数与残差计数组合，可以获得改进的强度测量。WO2019011543的方法在图2中示出，其中顶部迹线示出积分器的输出电压，而下部迹线示出比较器的输出。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量光强度的光学传感器系统，该光学传感器系统包括：光电二极管，该光电二极管具有用于提供第一极性的电流的光电二极管输出；积分器，该积分器具有选择性地耦合到所述光电二极管输出以用于接收所述电流的积分器输入和用于提供积分输出电压的积分器输出；以及比较器，该比较器具有耦合到所述积分器输出的比较器输入，并且被配置为将积分输出电压与阈值电压进行比较以在比较器输出处提供比较信号。该系统还包括：参考电荷电路，其耦合到所述比较器输出和所述积分器，用于向所述积分器输入提供电荷包，所述电荷包具有与所述第一极性相反的极性；参考电压电路，其具有用于选择性地向积分器输入提供至少第一定义电压的参考电压输出；以及电阻，其选择性地耦合在所述积分器输入和参考电压节点之间，以在所述积分器输入和参考电压节点之间提供电流路径。

该系统设置有控制单元，该控制单元用于：

(a)在积分时间内操作所述积分单元，在积分时间时段期间，所述光电二极管输出耦合到所述积分器输入，并且所述参考电压电路不向所述积分器输入提供所述第一定义电压，同时所述电阻不提供所述电流路径，

(b)在所述积分时间结束时，将所述光电二极管输出与所述积分器输入断开和使所述参考电压电路向所述积分器输入提供所述第一定义电压，同时所述电阻提供所述电流路径，直到所述比较信号切换，

该系统允许监测单元监测积分时间结束与比较信号的切换之间的时段，该时段指示积分时间结束时积分器输出上的残差电压。

参考电压电路包括数模转换器和数字控制器，该数字控制器用于使转换器将所述第一定义电压提供给积分器输入。

数字控制器可以使所述转换器在所述积分时间期间向积分器输入提供与所述第一预定义电压不同的偏移电压。积分器包括运算放大器电路，并且所述数模转换器被集成到运算放大器电路中。

该系统可以包括耦合到比较器的输出的电路或处理器，用于测量积分时间结束与比较信号的切换之间的时间段。

控制单元可以被配置为在光电二极管与积分器输入断开时将电荷包施加到积分器输入，在光电二极管保持断开时将所述电阻耦合在所述积分器输入和参考电压节点之间，使所述参考电压电路向所述积分器输入提供所述第一定义电压，以及确定切换比较器的输出的时间。所确定的时间提供校准时间，该校准时间可用于使用积分时间结束与比较信号的切换之间的所述时段来确定残差电压。

据本发明的第二方面，提供了一种测量光强度的方法。该方法包括以下步骤：将光电二极管暴露于光以使光电二极管提供第一极性的电流，将所述电流提供给积分器的输入和使用积分器在积分时间内对所述电流进行积分以提供积分输出电压，以及将积分输出电压与阈值电压进行比较以提供比较信号。该方法包括施加与所述第一极性相反极性的电荷包以在积分时间开始之前重置积分电压。在积分时间结束时，光电二极管与所述积分器断开并且参考电压耦合到积分器输入，同时电阻耦合在积分器输入和参考电压节点之间，直到比较信号切换。监测比较信号以测量积分时间结束与比较信号的切换之间的时间，从而提供积分时间结束时的残差电压的测量。

附图说明

图1示意性地示出了现有技术的光到频率调制器电路；

图2示出了与光到频率调制器电路的操作相关联的迹线，该光到频率调制器电路使用已知技术来确定积分时间结束时的残差计数；

图3示意性地示出了改进的光到频率调制器电路；

图4示出了与图3的电路的操作相关联的迹线；以及

图5是示出操作光到频率调制器电路以确定残差电压的方法的流程图。

具体实施方式

如上面参考图1所解释的，需要一种机构来在每个积分时间结束时获得光到频率调制器电路的残差电压测量。虽然用于此目的的机构是已知的，但是期望提供一种尽可能多地重复使用现有电路组件和功能的机构。

图3示意性地示出了包括光电二极管1的光到频率调制器电路，光电二极管1被配置为在暴露于光时提供第一极性的电流。开关S1可操作以将光电二极管1连接到放大器2的负输入。电容器3耦合在放大器2的输出与该负输入之间，使得放大器充当积分器。另一电容器4通过开关S3、S4耦合在放大器2的负输入和参考电压Vref之间。下面进一步解释这些开关的操作。另一开关S2被配置为经由电阻11将放大器2的负输入连接到参考电压，例如接地电位。

放大器2的输出耦合到比较器5的负输入。比较器的正输入耦合到另一参考电压(该参考电压可以与上述Vref相同，也可以不同)。比较器2的输出提供信号ltf_clk，该信号用于控制开关S3和S4。

放大器2包括自动归零数模转换器(AZ DAC)6。这是已知的放大器功能，并且通常用于校正放大器中的偏移。图3示出了数字控制器7，其包括用于确定要施加的偏移的功能8。该偏移值经由开关S5用信号发送到AZ DAC 6。数字控制器7还包括用于也经由开关S5将参考电压施加到AZ DAC的功能9。

在正常调制器操作期间，数字控制器7选择适当的偏移电压并将其经由开关S5施加到放大器2的AZ DAC 6。在每个积分周期开始时，开关S1闭合，并且光电二极管电流在积分时间的持续时间内被积分到调制器电容器3中。当达到比较器参考电压vref时，将预定义电荷施加到调制器输入，从而引起电压阶跃下降vstep。这经由控制电路10来实现，该控制电路10打开和闭合开关S3和S4以将电荷移动到电容器4和从电容器4移动电荷。结果是比较器5的输出信号ltf_clk中的脉冲序列。图4中示出了在积分时间期间放大器2(调制器输出)和比较器5的输出。

在积分时间结束时，在比较器的输出中检测到的脉冲的数量是比较器已经暴露于的光的强度的量度。然而，此时，放大器的输出电压将可能位于零和Vref(比较器的开关电压)之间的某个电压。为了更准确地确定光强度，期望确定该残差电压。因此，在积分时间结束时，开关S1打开以防止光电二极管向放大器提供进一步的电流。基本上同时地，开关S2闭合以经由电阻11将放大器2的负输入连接到参考电压。同样，并且再次基本上同时地，数字控制器7操作开关S5以使AZ DAC生成“人工”电压并将其施加到放大器的负输入。该人工电压是固定电压。开关S2也闭合，使得电流流过电阻器进入放大器的负输入。

现在流入放大器2的负输入的电流被调制器积分。图4示出了开关S1和S2的状态，两者都在积分时间结束时改变状态，以及由AZ DAC提供的电压的阶跃变化。可以看出，由于光电二极管提供的电流，示出放大器输出的迹线(底部)在积分时间即将结束之前以第一速率线性增加。在积分时间结束时，由于光电二极管断开并且AZ DAC施加人工电压，增加速率变为小于第一速率的第二速率。可以通过监测比较器输出ltf-clk来测量放大器的输出达到vref所需的时间t。

在电路的第一操作之前，执行校准步骤以确定人工电压将积分器从零充电到vref所花费的时间tcal。因此，给定积分周期结束时的残差电压为:vstep*(1-t/tcal)。

在图5的流程图中进一步示出了电路的操作方法。

这里呈现的实施例具有优于已知方法和电路的以下优点：

-在低信号计数下改进的准确度；

-不需要使用具有随之而来的缺点(例如噪声)的非常高的增益因子

-使用减少的积分时间的可能性。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (7)

1.一种用于测量光强度的光学传感器系统，包括：

光电二极管，其具有用于提供第一极性的电流的光电二极管输出；

积分器，其具有选择性地耦合到所述光电二极管输出以用于接收所述电流的积分器输入和用于提供积分输出电压的积分器输出；

比较器，其具有耦合到所述积分器输出的比较器输入并且被配置为将所述积分输出电压与阈值电压进行比较以在比较器输出处提供比较信号；

参考电荷电路，耦合到所述比较器输出和所述积分器，用于向所述积分器输入提供电荷包，所述电荷包具有与所述第一极性相反的极性；

参考电压电路，其具有用于选择性地向所述积分器输入提供至少第一定义电压的参考电压输出；

电阻，其选择性地耦合在所述积分器输入与参考电压节点之间，以在所述积分器输入与所述参考电压节点之间提供电流路径；

控制单元，所述控制单元用于：

(a)在积分时间内操作所述积分单元，在所述积分时间时段期间，所述光电二极管输出耦合到所述积分器输入，并且所述参考电压电路不向所述积分器输入提供所述第一定义电压，同时所述电阻不提供所述电流路径，

(b)在所述积分时间结束时，将所述光电二极管输出与所述积分器输入断开和使所述参考电压电路向所述积分器输入提供所述第一定义电压，同时所述电阻提供所述电流路径，直到所述比较信号切换，

其中所述积分时间结束与所述比较信号的切换之间的时段指示在所述积分时间结束时所述积分器输出上的残差电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述参考电压电路包括数模转换器和数字控制器，所述数字控制器用于使所述转换器向所述积分器输入提供所述第一定义电压。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述数字控制器使所述转换器在所述积分时间期间向所述积分器输入提供与所述第一预定义电压不同的偏移电压。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述积分器包括运算放大器电路，并且所述数模转换器被集成到所述运算放大器电路中。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括耦合到所述比较器的输出的电路或处理器，用于测量所述积分时间结束与所述比较信号的切换之间的时间段。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述控制单元被配置为：

当所述光电二极管与所述积分器输入断开时，将电荷包施加到所述积分器输入；

在所述光电二极管保持断开时，将所述电阻耦合在所述积分器输入和参考电压节点之间；

使所述参考电压电路向所述积分器输入提供所述第一定义电压；以及

确定切换所述比较器的所述输出的时间，

由此，所确定的时间提供校准时间，所述校准时间能够用于使用所述积分时间结束与所述比较信号的切换之间的所述时段来确定残差电压。

7.一种测量光强度的方法，包括：

将光电二极管暴露于光以使所述光电二极管提供第一极性的电流；

将所述电流提供给积分器的输入和使用所述积分器在积分时间内对所述电流进行积分以提供积分输出电压；

将所述积分输出电压与阈值电压进行比较以提供比较信号；

施加与所述第一极性相反极性的电荷包以在积分时间开始之前重置所述积分电压；

在所述积分时间结束时，将所述光电二极管与所述积分器断开并且将参考电压耦合到所述积分器输入，同时将电阻耦合在所述积分器输入和参考电压节点之间，直到所述比较信号切换，

监测所述比较信号以测量所述积分时间结束与所述比较信号的所述切换之间的时间，以提供所述积分时间结束时的残差电压的测量。

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