CN219106738U - 窄脉冲激光驱动电路和激光测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了窄脉冲激光驱动电路和激光测距装置。其中，窄脉冲激光驱动电路包括脉宽调节模块和激光驱动模块，脉宽调节模块包括第一延时单元、第二延时单元和比较器，第一延时单元和第二延时单元与比较器连接；第一延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第一时间输出给比较器，第二延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第二时间输出给比较器，比较器将延时时间差转换为窄脉宽驱动信号输出给激光驱动模块以驱动激光器发光。本实用新型通过两组延时单元的延时时间差值来产生的驱动信号，降低了输入信号的频率要求，产生的信号稳定，且无需使用微处理器，使成本大幅度降低，并且可根据延时时间差值来调整窄脉宽驱动信号的脉宽，以适合不同的工作环境。

Description

窄脉冲激光驱动电路和激光测距装置

技术领域

本实用新型光探测技术领域，特别涉及一种窄脉冲激光驱动电路激光测距装置。

背景技术

随着TOF(TimeOfFlight，光子飞行时间)技术的发展，激光雷达产品越来越多的应用到各个领域。激光雷达产品测距精度提升的关键是需要稳定可靠、且精度高的窄脉宽激光驱动电路来驱动激光器。

现有产品要得到窄脉宽驱动信号(如ns级，纳秒级的窄脉宽驱动信号)一般要使用高速FPGA(Field-ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列)或SOC(SystemonChip，系统级芯片)产生PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号去驱动激光器发光，如中申请号为：201610855561.9，名称为：高压变频窄脉冲激光电源中，由微控制器MCU对输入信号以及输出反馈电路反馈的信号进行比较控制得到给定占空比且相位相差半个周期的两路PWM信号DR1和DR2，及给定频率且相位相差一个输出脉冲宽度的两路PWM信号DR3和DR4；脉冲发生电路根据驱动信号DR3、DR4对率开关管控制得到脉冲输出信号Vout；该方式虽然实现了产生窄脉宽驱动信号来驱动激光器，但该方案对激光驱动设备的主频要求高、且微控制器方式软硬件成本高，开发难度大，而且调节精度低。

另，激光雷达产品在不同温度情况下测距精度差别也较大，主要是由于驱动信号受工作温度影响，会造成脉宽变化，导致发光不稳定，而且受干扰误触发发光的几率也更明显。此外，在不同场景下(室内和室外)对驱动信号的波形脉宽要求不一样，需要调节驱动信号脉宽来改变激光发光强度。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种窄脉冲激光驱动电路和激光测距装置，能输出稳定的窄脉冲激光驱动信号。

为解决以上技术问题，本实用新型采取了以下技术方案：

一种窄脉冲激光驱动电路，其包括脉宽调节模块和激光驱动模块，所述脉宽调节模块包括第一延时单元、第二延时单元和比较器，所述第一延时单元和所述第二延时单元与所述比较器连接；

所述第一延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第一时间输出给比较器，所述第二延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第二时间输出给比较器，所述比较器将延时时间差转换为窄脉宽驱动信号输出给激光驱动模块以驱动激光器发光。

较佳地，所述第一延时单元包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端用于输入脉冲驱动信号，所述第一电阻的另一端和第一电容的一端连接比较器的正输入端，第一电容的另一端接地；所述第二延时单元包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的一端用于输入所述脉冲驱动信号，所述第二电阻的另一端和第二电容的一端连接比较器的负输入端，第二电容的另一端接地。

较佳地，所述第一电阻为可调电阻；所述第二电阻是固定电阻；第一电阻的最大阻值和第二电阻的阻值相同。

较佳地，所述脉宽调节模块还包括第一反向器和第二反向器，所述脉冲驱动信号通过所述第一反向器整形、经第一延时单元输出第一延时信号，所述脉冲驱动信号通过所述第二反向器整形、经第二延时单元输出第二延时信号。

较佳地，所述第一反向器和第二反向器相同。

较佳地，所述脉宽调节模块还包括第三反向器和第四反向器，第一延时信号通过所述第三反向器整形、输出至比较器的正输入端，第二延时信号通过所述第四反向器整形、输出至比较器的负输入端。

较佳地，所述第三反向器和第四反向器相同。

较佳地，所述激光驱动模块包括开关管、第三电阻、第三电容、第四电容、第五电容和激光器，所述开关管的栅极连接比较器的输出端，所述开关管的漏极连接激光器的负极，所述开关管的源极接地，所述第三电阻的一端连接电源端、也通过第三电容接地，所述第三电阻的另一端连接激光器的正极、也通过第四电容接地、还通过第五电容接地。

较佳地，所述开关管是GaN开关。

本实用新型还提供一种激光测距装置，其包括至少一如上所述窄脉冲激光驱动电路。

相较于现有技术，本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路和激光测距芯片，由第一延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第一时间输出给比较器，所述第二延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第二时间输出给比较器，所述比较器将延时时间差转换为窄脉宽驱动信号输出给激光驱动模块以驱动激光器发光，本实用新型通过两组延时单元的延时时间差值来产生的驱动信号，降低了输入信号的频率要求，产生的信号稳定，且无需使用微处理器，使成本大幅度降低，并且可根据第一延时单元和第二延时单元的延时时间差值来调整窄脉宽驱动信号的脉宽，温度变化时，第一延时单元和第二延时单元的输出延时，是同时增加或同时减小的，其差值不随温度变化，以适合不同的工作环境。

附图说明

图1为本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路的结构框图。

图2为本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路中脉宽调节模块的电路原理图。

图3为本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路的脉冲宽茺调节时序示意图。

图4为本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路中激光驱动模块的电路原理图。

附图标记说明

脉宽调节模块10、激光驱动模块20、第一延时单元11、第二延时单元12、比较器A1、第一反向器A2、第二反向器A3、第三反向器A4、第四反向器A5、第一电阻RA1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、开关管Q1、第三电阻R2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、激光器V1。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路，可有效提升激光雷达产品测距精度，且驱动信号精度高、稳定可靠、脉宽可调，受温度环境干扰小。请参阅图1，图1为本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路的结构框图，如图所示，本实用新型的窄脉冲激光驱动电路包括脉宽调节模块10和激光驱动模块20，所述脉宽调节模块10包括第一延时单元11、第二延时单元12和比较器A1，所述比较器A1为高速比较器，可只采2个信号的上升沿，并比较产生窄脉宽驱动信号。

在一实施例中，所述第一延时单元11的输出端连接所述比较器A1的正输入端，所述第二延时单元12连接的输出端所述比较器A1的负输入端，所述比较器A1的输出端连接激光驱动模块20。

当然，在其它实施例中，所述第一延时单元11的输出端连接所述比较器A1的负输入端，所述第二延时单元12的输出端连接所述比较器A1的正输入端，本实用新型对延时单元与比较器的连接方式不作限制，只要两个延时单元连接在比较器A1的正、负输入端即可。

在工作时，由所述第一延时单元11将输入的脉冲驱动信号延时第一时间输出给比较器A1，所述第二延时单元12将输入的脉冲驱动信号延时第二时间输出给比较器A1，所述第一延时时间不等于第二延时时间，所述比较器A1将延时时间差转换为窄脉宽驱动信号输出给激光驱动模块20以驱动激光器V1发光，通过两组延时单元的延时时间差值来产生的驱动信号，降低了输入信号的频率要求，产生的信号稳定，且无需使用微处理器，使成本大幅度降低。并且可根据第一延时单元11和第二延时单元12的延时时间来调整窄脉宽驱动信号的脉宽，以适合不同的工作环境，温度变化时，第一延时单元和第二延时单元的输出延时，是同时增加或同时减小的，其差值不随温度变化。

本实用新型通过两组RC延时时间单元取差值，使脉冲驱动信号脉宽可以很窄，常见的高速比较器A1芯片可以做到0.5ns以下，本实用新型输出的窄脉宽为1ns--100ns之间，当然，小于0.5ns也可以。

请继续参阅图1，所述脉宽调节模块10还包括第一反向器A2和第二反向器A3，第一反向器A2的输入端连接外部的脉冲驱动信号输出端，第一反向器A2的输出端连接第一延时单元11，第二反向器A3的输入端连接外部的脉冲驱动信号输出端，第二反向器A3的输出端连接第一延时单元11。

本实施例中，所述第一反向器A2和第二反向器A3相同，第一反向器A2和第二反向器A3连接同一脉冲驱动信号输出端，使输入同一所述脉冲驱动信号(该脉冲驱动信号可以是时钟信号CLK)。其中，脉冲驱动信号通过所述第一反向器A2整形后、再经第一延时单元11输出第一延时信号，所述脉冲驱动信号通过所述第二反向器A3整形后、再经第二延时单元12输出第二延时信号，两路延时信号均送入比较器A1中，由比较器A1获取两个延时信号的上升沿时间。

本实用新型采用第一反向器A2和第二反向器A3对脉冲驱动信号整形，可使脉冲驱动信号的波形的上升沿和下降沿更陡峭一些，方便比较器A1做比较，从而提高比较器A1输出窄脉宽驱动信号的精度。

进一步地，所述脉宽调节模块10还可包括第三反向器A4和第四反向器A5，第三反向器A4的输入端连接第一延时单元11的输出端，第三反向器A4的输出端连接比较器A1的正输入端，第四反向器A5的输入端连接第二延时单元12的输出端，第四反向器A5的输出端连接比较器A1的负输入端。

同样地，所述第三反向器A4和第四反向器A5相同，第一延时信号通过所述第三反向器A4整形后、再输出至比较器A1的正输入端，第二延时信号通过所述第四反向器A5整形后、再输出至比较器A1的负输入端。

本实用新型采用第三反向器A4和第四反向器A5对延时后的脉冲驱动信号进一步整形，使延时后的脉冲驱动信号的波形的上升沿时间缩短，进一步方便比较器A1做比较，且输出的脉宽是可控的，进一步来调整窄脉宽驱动信号的脉宽。

应当说明的是，所述第一反向器A2至第四反向器A5也可采用非门或其它能使信号反相的元件，本实用新型对此不作限制。

请一并参阅图2和3，在脉宽调节模块10中，脉冲驱动信号a一分为二经第一反向器A2和第二反向器A3产生两个相同的反向信号b和c；第一路信号b经过第一延时单元11延时时间t1后输出给第三反向器A4，第三反向器A4使信号再次反向，得到与信号a同向的信号d，但信号d的波形可能与信号a不同；第二路信号c经过第二延时单元12延时时间t2后输出给第四反向器A5，第四反向器A5使信号再次反向，得到与信号a同向的信号e，同样地，但信号e的波形可能与信号a不同,且上升沿与信号d也存在时间差；经不同延时的信号d和e送入比较器A1中作比较，产生脉宽为t1-t2时间差的窄脉宽驱动信号，且时间差值越小，脉宽越窄。

在本实用新型提供的窄脉冲激光驱动电路中，所述第一延时单元11包括第一电阻RA1和第一电容C1，所述第一电阻RA1的一端连接外部的脉冲驱动信号输出端CLK，用于输入脉冲驱动信号，所述第一电阻RA1的另一端和第一电容C1的一端连接比较器A1的正输入端，第一电容C1的另一端接地。进一步地，脉宽调节模块中增加第一反相器A2后，所述第一电阻RA1的一端可连接第一反相器A2的输出端，经第一反相器A2反向后的脉冲驱动信号，再经第一电阻RA1和第一电容C1构成的延时电路延时第一时间t1。

相应地，所述第二延时单元12包括第二电阻R2和第二电容C2，所述第二电阻R2的一端连接外部的脉冲驱动信号输出端CLK，用于输入所述脉冲驱动信号，所述第二电阻R2的另一端和第二电容C2的一端连接比较器A1的负输入端，第二电容C2的另一端接地。同样地脉宽调节模块中增加第二反相器A3后，所述第二电阻R2的一端可连接第二反相器A3的输出端，经第二反相器A3反向后的脉冲驱动信号，再经第二电阻R2和第二电容C2构成的延时电路延时第二时间t2。

本实施例中，第一延时单元11和第二延时单元12采用了RC延时电路，RC充放电延时波形与脉冲驱动信号基本一致，且增强了激光驱动信号抗干扰能力。较佳地，所述第一电容C1和第二电容C2的容值相同，虽然电容的容值会随温度变化，但两个相同的电容，即使随温度变化，其差值在温度不同的情况下变化很小，因此本实用新型受温度干扰的影响小，甚至其差值不受影响。

可选地，所述第一电阻RA1为可调电阻；所述第二电阻R2是固定电阻；第一电阻RA1的最大阻值和第二电阻R2的阻值相同，通过第一电阻RA1调整阻值可控制第一延时单元11和第二延时单元12的延时时间差，从而使窄脉冲激光驱动电路根据不同的环境(如室内、室外等)对延时时间差做调整，从而调整脉宽调节模块10输出的窄脉宽驱动信号的脉冲宽度。

在脉宽调节模块10中，假设信号a的频率是1khz，则其上升沿可能有10-30ns，信号a经过第一、第二反向器A2、A3后，上升沿的时间变为1-2ns，反向信号b和c经过两个延时单元后，上升沿时间也很长，大概20-40ns，再经过第三、第四反向器A4、A5后，上升沿的时间缩短到1-2ns，且在送入比较器A1之前，信号d和e上升沿很陡，从而便于比较器A1做比较。

RC延时单元中的电容充电时间计算公式为：t＝RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，其中，V1为电源电压，VO为0V电压，Vt为反相器电平翻转电压，由于反相器电平翻转电压Vt固定，因此Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]为常数固定不变。例如v1＝3.3V，v0＝0V，vt＝0.7*3.3V。

延时时间差Δt＝t1-t2＝(RA1*C1-R2*C2)*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]，由于第一电容C1与第二电容C2的参数相同，第一电阻RA1的最大阻值与第二电阻R2相同，当第一电阻RA1逐渐调小时，Δt逐渐增大；当第一电阻RA1逐渐调大时，Δt逐渐减小，若第一阻值固定，则Δt时间固定，驱动信号脉宽固定不变，本实用施通过调节第一电阻RA1来改变输出驱动信号的脉宽，其调节精度高，可满足不同(时钟)频率下输出固定脉冲宽度的驱动信号，从而可适应不同的工作环境。

在本实用新型的窄脉冲激光驱动电路中，所述脉宽调节模块10采用了两组对称的信号处理电路，第一组为第一反相器A2、第一电阻RA1、第一电容C1、第三反相器A4，第二组为第二反相器A3、第二电阻r2、第二电容C2、第四反相器A4，这两种电路结构、尺寸完全相同，且不同温度情况下，RC延时时间差不会变化，输出窄脉宽驱动信号几乎不会受温度变化而影响脉宽(虽电容随温度的变化很大，但两个相同的电容变化相同，其差值在温度不同的情况下几乎无变化)；另RC电路还起低通滤波作用，可以滤除噪声引起的(高频)干扰，确保驱动信号稳定可靠。

请一并参阅图4，所述激光驱动模块20包括开关管Q1、第三电阻R3、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和激光器V1，所述开关管Q1的栅极连接比较器A1的输出端，所述开关管Q1的漏极连接激光器V1的负极，所述开关管Q1的源极接地，所述第三电阻R3的一端连接电源端VCC、也通过第三电容C3接地，所述第三电阻R3的另一端连接激光器V1的正极、也通过第四电容C4接地、还通过第五电容C5接地。

较佳地，所述开关管Q1是GaN(氮化镓)开关，当然也可采用其它类型的开关，如NPN三极管等。第三电阻R3为充电电阻，第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5均起充放电、及滤波作用。当比较器A1输出的窄脉宽驱动信号为高电平时，开关管Q1导通，使激光器V1发光，此时电源端的电压VCC给第三电容C3充电，且在第四电容C4、第五电容C5放电完后，也及时给第四电容C4、第五电容C5充电，第三电容C3充电、第四电容C4、第五电容C5均可对激光器V1放电，确保开关管Q1导通时激光器发光，当窄脉宽驱动信号为低电平时，开关管Q1和激光器V1均截止。

本实用新型还提供一种激光测距装置，包括窄脉冲激光驱动电路，窄脉冲激光驱动电路可为多个，采用阵列方式排列，用于向指定区域发射激光，激光被目标物体反馈回被激光测距装置的接收模块接收，再由TDC进行转换，最终计算目标物体的距离。由于窄脉冲激光驱动电路在上文已进行了详细描述，此处不再赘述。

综上所述，本实用新型通过两组延时单元的延时时间差值来产生的驱动信号，其信号稳定，可根据第一延时单元和第二延时单元的延时时间来调整窄脉宽驱动信号的脉宽，且延时单元的延时时间受温度干扰的影响小。具体地，RC充放电延时的波形与驱动信号波形基本一致，增强了驱动信号抗干扰能力。驱动信号脉宽由两组RC延时时间差值决定，温度变化时，第一延时单元和第二延时单元的输出延时是同时增加或同时减小的，其差值不随温度变化，因此驱动信号脉宽受温度影响小，甚至不受温度，且使脉宽调节精度提升，稳定性增强。

另，第一电阻采用可调电阻来调节第一延时单元的延时时间，可支持不同频率输入信号产生固定窄脉宽驱动信号，激光驱动信号脉宽可调节。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄脉冲激光驱动电路，其特征在于，包括脉宽调节模块和激光驱动模块，所述脉宽调节模块包括第一延时单元、第二延时单元和比较器，所述第一延时单元和所述第二延时单元与所述比较器连接；

所述第一延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第一时间输出给比较器，所述第二延时单元将输入的脉冲驱动信号延时第二时间输出给比较器，所述比较器将延时时间差转换为窄脉宽驱动信号输出给激光驱动模块以驱动激光器发光。

2.根据权利要求1所述窄脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述第一延时单元包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的一端用于输入脉冲驱动信号，所述第一电阻的另一端和第一电容的一端连接比较器的正输入端，第一电容的另一端接地；所述第二延时单元包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的一端用于输入所述脉冲驱动信号，所述第二电阻的另一端和第二电容的一端连接比较器的负输入端，第二电容的另一端接地。

3.根据权利要求2所述窄脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述第一电阻为可调电阻；所述第二电阻是固定电阻；第一电阻的最大阻值和第二电阻的阻值相同。

4.根据权利要求1所述窄脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述脉宽调节模块还包括第一反向器和第二反向器，所述脉冲驱动信号通过所述第一反向器整形、经第一延时单元输出第一延时信号，所述脉冲驱动信号通过所述第二反向器整形、经第二延时单元输出第二延时信号。

5.根据权利要求4所述脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述第一反向器和第二反向器相同。

6.根据权利要求4所述脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述脉宽调节模块还包括第三反向器和第四反向器，第一延时信号通过所述第三反向器整形、输出至比较器的正输入端，第二延时信号通过所述第四反向器整形、输出至比较器的负输入端。

7.根据权利要求6所述脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述第三反向器和第四反向器相同。

8.根据权利要求1所述脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述激光驱动模块包括开关管、第三电阻、第三电容、第四电容、第五电容和激光器，所述开关管的栅极连接比较器的输出端，所述开关管的漏极连接激光器的负极，所述开关管的源极接地，所述第三电阻的一端连接电源端、也通过第三电容接地，所述第三电阻的另一端连接激光器的正极、也通过第四电容接地、还通过第五电容接地。

9.根据权利要求8所述脉冲激光驱动电路，其特征在于，所述开关管是GaN开关。

10.一种激光测距装置，其特征在于，包括至少一如权利要求1-9任意一项所述窄脉冲激光驱动电路。

Images