CN118500542A - 光信号探测电路和探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光信号探测电路，包括：光探测单元，包括第一电路和第二电路，第一电路和第二电路均产生与环境光相关的电流信号；第一电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第一电路的电流信号；第二电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第二电路的电流信号，且第一电流互锁单元和第二电流互锁单元接收的电流大小相等。本申请所提供的技术方案中，最终输出的信号为与环境光相关的脉冲信号。所以实际上得到的信号就是数字信号，处理器或者说处理系统在处理该信号之前，并不需要将接收到的信号进行额外的转化和处理，所以能够减少数据冗余，减少处理器的功耗，降低处理器在计算环境光强时的算力消耗。

Description

光信号探测电路和探测方法

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种光信号探测电路和探测方法。

背景技术

捕捉环境光信号强度的变化对于机器人控制、无人驾驶汽车、工业自动化等领域有着重要作用。现有的环境光信号强度的捕捉方式，都是基于光电二极管得到环境光的强度信息。

但是，在实践中，往往不是需要环境光的强度信息，而是需要环境光强度的变化信息。为此，为了得到环境光的强度变化信息，就需要对环境光的强度信息进行收集，然后进行数据处理，如此在实践中会导致大量的数据冗余，增加处理器的功耗，以及消耗额外的算力。

发明内容

本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

作为本申请的第一个方面，为了解决无法直接收集到光强度变化信息的技术问题，本申请提供了一种光信号探测电路，包括：

光探测单元，包括第一电路和第二电路，第一电路和第二电路均产生与环境光相关的电流信号；

第一电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第一电路的电流信号；

第二电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第二电路的电流信号，且第一电流互锁单元和第二电流互锁单元接收的电流大小相等；

第一分流单元，与第一互锁单元信号连接，用于接收第一电路流出的部分电流信号；

第二分流单元，与第二互锁单元信号连接，用于接收第二电路流出的部分电流信号；

输出单元，与第一分流单元信号连接，用于接收第一分流单元的电流信号；

其中，第一分流单元的电流接收量小于第二分流单元的电流接收量；

当电流信号发生变化，输出单元接收第一分流单元上的脉冲信号。

本申请所提供的技术方案中，最终输出的信号为与环境光相关的脉冲信号。所以实际上得到的信号就是数字信号，处理器或者说处理系统在处理该信号之前，并不需要将接收到的信号进行额外的转化和处理，所以能够减少数据冗余，减少处理器的功耗，降低处理器在计算环境光强时的算力消耗。

进一步的，第一互锁单元包括第一NMOS管，第二互锁单元包括第二NMOS管；

第一NMOS管和第二NMOS管的源极相连并接地；

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相连；

第一NMOS管的漏极连接光探测单元的第一电路的电流信号；

第二NMOS管的漏极连接光探测单元的第二电路的电流信号；

第二NMOS管的漏极连接至第二NMOS管的栅极。

本申请所提供的技术方案中，通过将第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相互连接，所以第一NMOS管和第二NMOS管将会形成电流镜，进而第一NMOS管和第二NMOS管的电流将会相等，而第一分流单元和第二分流单元因为能够承载的电流不一致，进而会在第一NMOS管的漏极产生脉冲电流。

进一步的，第一分流单元包括第一电容，第二分流单元包括第二电容，第一电容的电容小于第二电容的电容。

本申请所提供的方案中，第一电容小于第二电容，所以第一电容接收电流的能力会更小，但是因为第一分流单元和第二分流单元的电流复制作用，从而会在第一电容和第一分流单元之间产生脉冲电流。

进一步的，光探测单元还包括电源；电源分别连接至第一电路和第二电路；

第一电路上连接有第一光电二极管，第二电路上设置有第二光电二极管；

第一电路连接至第一NMOS管的漏极，第二电路连接至第二NMOS管的漏极；

其中，第一光电二极管和第二光电二极管的光敏系数相同。

本申请所提供的技术方案中，第一光电二极管和第二光电二极管的光敏系数相同。所以将第一光电二极管和第二光电二极管放置在相同的环境中，进而会在第一电路和第二电路上产生相同大小的电流信号；如此，在环境光未发生变化时，整个电路会趋向于稳定。

进一步的，输出单元包括电压放大器和电阻，电阻的首尾两端分别与第一电容和第一NMOS管的漏极相连。

作为本申请的第二个方面，本申请提供了一种光信号探测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取第一电路上与环境光相关的电流信号和第二电路上与环境光相关的电流信号；

步骤2：将两路与环境光相关的电流信号分别发送至第一电流互锁单元和第二电流互锁单元；

步骤3：第一电流互锁单元连接至第一分流单元，第一分流单元接收第一电路的部分电流信号；

第二电流互锁单元连接至第二分流单元，第二分流单元接收第二电路的部分电流信号，第一分流单元和第二分流单元接收的电流大小不同，第一电流互锁单元和第二互锁单元的电流大小相等；

步骤4：输出单元接收第一分流单元的电流信号，以获取环境光发生变化时在第一分流单元上产生的脉冲信号。

本申请所提供的技术方案中，通过将第一分流单元和第二分流单元分得的电流更小，同时让第一互锁单元和第二互锁单元的电流互锁，所以在第一电路和第二电路上产生与环境光相关的电流信号时，因为第一互锁单元和第二互锁单元的电流相等，而第一分流单元能够接收的电流又小一点，所以会在第一分流单元上产生脉冲电流，进而在输出单元上得到与环境光强度相关的脉冲信号。所以实际上得到的信号就是数字信号，处理器或者说处理系统在处理该信号之前，并不需要将接收到的信号进行额外的转化和处理，所以能够减少数据冗余，减少处理器的功耗，降低处理器在计算环境光强时的算力消耗。

进一步的，步骤1中，第一电路上电流信号与环境光的相关性与第二电路上电流信号与环境光的相关性相同。

进一步的，第一电流互锁单元和第二电流互锁单元分别为第一NMOS管和第二NMOS管；

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相连，以实现电流互锁。

进一步的，第一分流单元包括第一电容，第二分流单元包括第二电容，第一电容的电容小于第二电容的电容。

本申请的有益效果在于：

1. 使用两个同种类型的光电二极管即可实现对光强变化的检测，不需要额外使用对光照敏感度不同的器件。

2. 实现了脉冲电流向脉冲电压的转换，将难以测量和使用的脉冲电流信号转化为可供后续电路使用的脉冲电压信号，减少了后续电路的使用条件。

3. 光电器件同时接受光照变化，不需要进行快门等操作，减少了电路的使用前提条件。

4. 光电传感电路由2个光电二极管，2个晶体管，2个电容与一个电阻，1个电压放大器构成，具有低电路面积开销的特点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

另外，贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。

在附图中：

图1为光信号探测电路的结构示意图。

图2为光信号探测电路在光强增加时的示意图。

图3为光信号探测电路在光强减弱时的示意图。

图4为

附图标记：

D1、第一光电二极管；D2、第二光电二极管；C1、第一电容；C2、第二电容；NM1、第一NMOS管；NM2、第二NMOS管；R、电阻；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现， 而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1：参照图1，光信号探测电路，第一电路和第二电路，第一电路和第二电路均产生与环境光相关的电流信号；第一电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第一电路的电流信号；第二电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第二电路的电流信号，且第一电流互锁单元和第二电流互锁单元接收的电流大小相等；第一分流单元，与第一互锁单元信号连接，用于接收第一电路流出的部分电流信号；第二分流单元，与第二互锁单元信号连接，用于接收第二电路流出的部分电流信号；输出单元，与第一分流单元信号连接，用于接收第一分流单元的电流信号；其中，第一分流单元的电流接收量小于第二分流单元的电流接收量；当电流信号发生变化，输出单元接收第一分流单元上的脉冲信号。

其中，光探测单元还包括电源；电源分别连接至第一电路和第二电路；第一电路上连接有第一光电二极管D1，第二电路上设置有第二光电二极管D2；第一光电二极管D1和第二光电二极管D2的光敏系数相同。第一二极管连接至第一分流单元，第二二极管连接至第二分流单元。

因为第一二极管和第二二极管的光敏系数相同，然后第一二极管和第二二极管都在相同的环境中。因而第一二极管和第二二极管会随着环境光的变化，产生相同的电阻变化。而第一二极管和第二二极管又连接在同一个电源中。所以，第一电路和第二电路会产生两路相同的电流信号分别发送至第一互锁单元和第二互锁单元。

第一互锁单元包括第一NMOS管NM1，第二互锁单元包括第二NMOS管NM2；第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的源极相连并接地；第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的栅极相连；第一NMOS管NM1的漏极连接光探测单元的第一电路的电流信号；第二NMOS管NM2的漏极连接光探测单元的第二电路的电流信号；第二NMOS管NM2的漏极连接至第二NMOS管NM2的栅极。第一电路连接至第一NMOS管NM1的漏极，第二电路连接至第二NMOS管NM2的漏极。第一分流单元包括第一电容C1，第二分流单元包括第二电容C2，第一电容C1的电容小于第二电容C2的电容。第一电容C1连接至第一NMOS管NM1的漏极。输出单元包括电压放大器和电阻R，电阻R的首尾两端分别与第一电容C1和第一NMOS管NM1的漏极相连。

以上为光信号探测电路的连接情况，下面为光信号探测电路的工作原理。

为了，便于理解在电路结构中标注出了节点A和节点B。节点A为第一电路和第一NMOS管的漏极相连的支路，以及第一电容和第一NMOS管相连的支路相交的交点。节点B为第二电路和第二NMOS管的漏极相连的支路，以及第二电容和第二NMOS管相连的支路相交的交点。

1．光照强度不变时电路工作情况：

当光照不变时，第一光电二极管D1和第二光电二极管D2由于电源偏置的影响，会产生基础的偏置电流，同时两者产生的光电流相同，因此从电源经过第一光电二极管D1到节点A的电流等于从电源经过第二光电二极管D2到节点B的电流。

由于第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的栅极相连，两管的电流相同，因此节点A与节点B的电压相同，均处于一个恒定电压。节点A与节点B恒定的电压 确保了电容C1和C2不会对电路中的电流产生额外的影响，从而保持电路在稳定运行状态。

2．光照增强时电路工作情况：

当光照增强时，如图2，第一光电二极管D1和第二光电二极管D2的电流均等量增大I1，这些电流分别流入节点A和节点B。接下来对这两个节点进行分别分析：

首先，对于节点B，电流流出的路径包括流入第二NMOS管NM2的电流I3和流入电容C2的电流I2。

由于第二电容C2较大，其容抗较小，因此在面对同样增大的电流时，第二电容C2会接收比第一电容C1更大的电流。因此，对于同样增大的电流，第二电容C2会产生较大的电流，从而导致流入NM2的电流I3偏小。

对于节点A，电流流出的路径包括流入第一NMOS管NM1的电流I3和流入第一电容C1的电流I4。由于电容C1较小，其容抗较大，因此在面对同样增大的电流时，第一电容C1会接收比第二电容C2更小的电流，即I4小于I2。因此，对于增大了同样大小的电流，流入第一电容C1的电流I4应较小，导致流入NM1 的电流会较大。

由于第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的栅极相连，流入第一NMOS管NM1的电流被限制为与流入第二NMOS管NM2的电流相同，即为I3。对于第一光电二极管D1所在的支路而言，由于第一电容C1电容较小，在处理相同大小的电流时，其容抗较大，流入它的电流I4本应较小，而流入第一NMOS管NM1的电流较大。然而，由于电流镜的复制作用，流入第一NMOS管NM1的电流被限制在较小的值即I3，因此流入C1的电流会大于其本应接受的值，从而导致电流脉冲的产生。

这种脉冲来源于光电二极管对增强光照的响应，因此该脉冲代表了光强度的增加。通过在节点A与节点C之间的小电阻及其运算放大器，可以检测到流过小电阻的微小电流，从而将脉冲电流转换为可用的电压信号。

3．光照减弱时电路工作情况

当光照减弱时，如图3，第一光电二极管D1和第二光电二极管D2的电流均等量减小I1，节点A和节点B的电压均出现下降的趋势。接下来对这两个节点进行分别分析：

首先，对于节点B，由于节点B电压下降，电流I1从第二光电二极管D2和第二电容C2流入节点B 。由于第二电容C2较大，其容抗较小，因此在面对同样减小的电流时，第二C2会产生比第一C1更大的电流I2。因此，对于同样减小的电流，第二电容C2会产生较大的电流，从而导致流入第二NMOS管NM2的电流I3偏大。

对于节点A，电流由于节点A的电压下降，电流I3从第一光电二极管D1的电流I1和第一电容C1的电流I4流入。由于第一电容C1较小，其容抗较大，因此在面对同样减小的电流时，第一电容C1会产生比第二电容C2更小的电流，即电流I4小于I2。因此，对于减小了同样大小的电流，第一电容C1流出的电流应较小，导致流入NM1 的电流会较小。

由于第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的栅极相连，流入第一NMOS管NM1的电流被限制为与流入第二NMOS管NM2的电流相同。对于第一光电二极管D1所在的支路而言，由于第一电容C1电容较小，在处理相同大小的电流时，其容抗较大，它流出的电流本应较小，而流入第一NMOS管NM1的电流较大。然而，由于电流镜的复制作用，流入第一NMOS管NM1的电流被限制在较大的电流值I3，因此流入第一电容C1的电流会大于其本应产生的电流值，从而导致反向电流脉冲的产生，而这个脉冲会被电流检测电路捕捉并输出。

这种脉冲来源于光电二极管对减弱光照的响应，因此该脉冲代表了光强度的增加。通过在节点A与节点C之间的小电阻及其运算放大器，可以检测到流过小电阻的微小电流，从而将脉冲电流转换为可用的电压信号。

如图4所示，Light表示光电二极管所接受的光强变化，而OUT代表运算放大器（运放）输出的电压。可以看到，当光照变强时，运放的输出端会产生一个正向脉冲电压；在光强不变时，运放输出端没有变化；而当光照变弱时，运放的输出端会产生一个反向脉冲电压。

综上，该电路不仅能够检测光强的变化，还能在光电压增强时稳定输出信号。此外，当光电压再次增强时，电路仍然能够输出相应的脉冲电压。这种设计确保了电路能够有效地响应光强度的动态变化，并将其转换为易于处理的电压信号。

实施例2：一种光信号探测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取第一电路上与环境光相关的电流信号和第二电路上与环境光相关的电流信号；

步骤2：将两路与环境光相关的电流信号分别发送至第一电流互锁单元和第二电流互锁单元；

步骤3：第一电流互锁单元连接至第一分流单元，第一分流单元接收第一电路的部分电流信号；

第二电流互锁单元连接至第二分流单元，第二分流单元接收第二电路的部分电流信号，第一分流单元和第二分流单元接收的电流大小不同，第一电流互锁单元和第二互锁单元的电流大小相等；

步骤4：输出单元接收第一分流单元的电流信号，以获取环境光发生变化时在第一分流单元上产生的脉冲信号。

进一步的，步骤1中，第一电路上电流信号与环境光的相关性与第二电路上电流信号与环境光的相关性相同。

进一步的，第一电流互锁单元和第二电流互锁单元分别为第一NMOS管和第二NMOS管。

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相连，以实现电流互锁。

进一步的，第一分流单元包括第一电容，第二分流单元包括第二电容，第一电容的电容小于第二电容的电容。

实施例2的原理与实施例1的原理相同，按照实施例2中所提供的方案，能够得到实施例1所述的电路。因而实施例2的具体工作原理这里不再解释。

以上描述仅为本申请的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请的实施例中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种光信号探测电路，其特征在于，包括：光探测单元，包括第一电路和第二电路，第一电路和第二电路均产生与环境光相关的电流信号；

第一电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第一电路的电流信号；

第二电流互锁单元，与光探测单元信号连接，用于接收第二电路的电流信号，且第一电流互锁单元和第二电流互锁单元接收的电流大小相等；

第一分流单元，与第一互锁单元信号连接，用于接收第一电路流出的部分电流信号；

第二分流单元，与第二互锁单元信号连接，用于接收第二电路流出的部分电流信号；

输出单元，与第一分流单元信号连接，用于接收第一分流单元的电流信号；

其中，第一分流单元的电流接收量小于第二分流单元的电流接收量；

当电流信号发生变化，输出单元接收第一分流单元上的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的光信号探测电路，其特征在于：第一互锁单元包括第一NMOS管，第二互锁单元包括第二NMOS管；

第一NMOS管和第二NMOS管的源极相连并接地；

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相连；

第一NMOS管的漏极连接光探测单元的第一电路的电流信号；

第二NMOS管的漏极连接光探测单元的第二电路的电流信号；

第二NMOS管的漏极连接至第二NMOS管的栅极。

3.根据权利要求2所述的光信号探测电路，其特征在于：第一分流单元包括第一电容，第二分流单元包括第二电容，第一电容的电容小于第二电容的电容。

4.根据权利要求3所述的光信号探测电路，其特征在于：光探测单元还包括电源；电源分别连接至第一电路和第二电路；

第一电路上连接有第一光电二极管，第二电路上设置有第二光电二极管；

第一电路连接至第一NMOS管的漏极，第二电路连接至第二NMOS管的漏极；

其中，第一光电二极管和第二光电二极管的光敏系数相同。

5.根据权利要求3所述的光信号探测电路，其特征在于：输出单元包括电压放大器和电阻，电阻的首尾两端分别与第一电容和第一NMOS管的漏极相连。

6.一种光信号探测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取第一电路上与环境光相关的电流信号和第二电路上与环境光相关的电流信号；

步骤2：将两路与环境光相关的电流信号分别发送至第一电流互锁单元和第二电流互锁单元；

步骤3：第一电流互锁单元连接至第一分流单元，第一分流单元接收第一电路的部分电流信号；

第二电流互锁单元连接至第二分流单元，第二分流单元接收第二电路的部分电流信号，第一分流单元和第二分流单元接收的电流大小不同，第一电流互锁单元和第二互锁单元的电流大小相等；

步骤4：输出单元接收第一分流单元的电流信号，以获取环境光发生变化时在第一分流单元上产生的脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的光信号探测方法，其特征在于：步骤1中，第一电路上电流信号与环境光的相关性与第二电路上电流信号与环境光的相关性相同。

8.根据权利要求6所述的光信号探测方法，其特征在于：第一电流互锁单元和第二电流互锁单元分别为第一NMOS管和第二NMOS管；

第一NMOS管和第二NMOS管的栅极相连，以实现电流互锁。

9.根据权利要求6所述的光信号探测方法，其特征在于：第一分流单元包括第一电容，第二分流单元包括第二电容，第一电容的电容小于第二电容的电容。