脉冲激光测距接收电路的设计

电子#

电路

2010年第23卷第4期

ElectronicSci1&Tech1/Apr115,2010

脉冲激光测距接收电路的设计

张育琪,徐 军,杨 佩

(西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安 710071)

摘 要 从脉冲激光测距的特点出发,结合APD工作条件,以及回波信号特征,设计了一种脉冲激光测距接收电路。该电路采用两级放大电路,其中前置放大电路具有自动增益控制功能,有效地解决了因测量距离的远近不同而导致回波信号幅度变化大的问题,为后续电路的信号处理提供了条件。

关键词 脉冲激光;激光测距;测距接收电路;高压设计

中图分类号 TN242 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2010)04-030-03

DesignoftheReceiverCircuitinPulsedLasedRangFinding

ZhangYuq,iXuJun,YangPei

(SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xipan710071,China)

Abstract Aproperpulsedlaserrangfindingreceivercircuitisdesignedbasedonthecharacteristicsofpulsedlaserrangefinding,theworkingconditionsofAPD,andthecharacteristicsoftheechosigna.lThiscircuitadopts

twostageamplifiercircuits,

inwhichthepre-amplifiercircuithastheautomaticgaincontrolfunction,andtherefore

theproblemofgreatvaryingrangeofechosignalscausedbydifferentmeasuringdistanceisresolvedefficiently,thusfacilitatingthesignalprocessinginfollowingcircuits.

Keywords pulsedlaser;

laserrangefinding;

rangefindingreceivercircuit;designofhighvoltage

在脉冲激光测距系统中,其基本原理就是通过测量激光脉冲的传播时间来确定距离。由于激光脉冲在传输过程中,会受到空气、温度、湿度等因素的影响,引起畸变和衰减。特别是在测量远距离的目标时,激光脉冲的远距离传输,其回波信号携带很大的噪声,信噪比很低。而且,由于测量距离的远近不同,回波信号的幅度变化很大。因此,设计合理的接收电路,解决回波信号幅度变化大的问题,提高回波信号的信噪比,还原出回波信号,正确测量出激光脉冲传播的时间差,是激光测距系统的一个重要部分。

回波截止信号,送至测量单元,

进行时间间隔的测量。

图1 激光测距接收电路原理框图

2 APD驱动电路

APD驱动电路如图2所示,其中,VH为高压发生电路产生的160V电压,作为APD的工作电压。R1为限流电阻,保护APD,防止电流过大烧坏晶体管;C为滤波电容,靠近APD放置,滤除高压引起的杂波。由于APD把接收到的光信号转换为电流信号,因此运算放大器OPA356和电阻R2完成电流转电压功能,把APD输出的电流信号转换为电压信号,U=-I=R2,

提供给后续电路。

1 接收电路原理框图

如图1所示为激光测距接收电路原理框图。高压发生电路产生高压,作为APD(雪崩光电二极管)的工作电压。反馈回路使产生的高压稳定,不受电源电压、温度等因素的影响,同时使该高压在一定范围内可调。通过APD驱动电路,把接收到的回波光脉冲信号转换为电压脉冲信号,输入到前置放大电路。信号经过预处理,然后再经过一级放大和整形等操作,即可作为

收稿日期:

2009-11-25

作者简介:张育琪(1983-),男,硕士研究生。研究方向:红外系统,模式识别,图像处理。

图2 APD驱动电路

张育琪,等:脉冲激光测距接收电路的设计

电子#电路

池供电。因此,在系统中,需要用到将5V的电源电压升到160V的高压发生电路,图3是高压发生电路的原理图

[1]

3 高压发生电路

在APD的驱动电路中,需要用到160V的高压偏置。因为是手持式激光测距,在供电方面只能是电

。

图3 高压发生电路

该电路中,由555振荡器组成的方波发生器,产生一定占空比的方波,控制开关三极管3DK9的导通、截止。当三极管导通时,由于集电极和发射极之间的电压VCE很低,故二极管D2截止。这时,能量由电源注入,储存在电感中。负载由滤波电容C16提供,电容C16将自身储存的能量CV/2提供给负载。当三极管截止时,由于电感的自感效应,电感上的电流不能发生突变,它产生的感应电动势阻止电流的减小。二极管D2导通,电感将储能LI/2注入电容中,供给电容储能,并同时供给负载。通过产生方波控制开关三极管3DK9的导通、截止,电感的储能作用、自感效应,电容的储能作用,从而在输出端得到所需的高压。

由于该电路产生的电压会受到电源电压、温度等因素的影响,因此为了使其产生的高压稳定,并且使该高压在一定范围内可调,在高压发生电路中加入一

[1]

个反馈回路,如图4所示。

反馈信号输入至555振荡器的第5管脚,通过控制该管脚,可以使555振荡器输出方波的频率和占空比发生变化,从而控制输出电压,使高压发生电路工作稳定。该回路可通过调节电位器R12,改变反馈电

22

压Vref的大小,实现高压在一定范围内可调。

图4 反馈回路

4 前置放大电路

测距时,由于测量距离的远近不同,导致APD驱动电路输出的电压信号变化的幅度很大。为了得到一个幅值变化较小的信号,在前置放大电路中,选取具有自动增益控制(AGC)功能的放大器AD603,如图5所示。

该电路由两片AD603顺序级联而成,目的是为了提高信号的信噪比。用三极管2N3906和3904级联,实现对输出信号的峰值检波。图5中,由Q1和R8组成一个检波器,用于检测输出信号幅度的变化。

[2]

31

电子#电路

由CAV形成自动增益控制电压VAGC,流进电容CAV的电流为Q2和Q1两管的集电极电流之差,而且其大小随A2输出信号的幅度大小变化而变化,这使得加在

张育琪,等:脉冲激光测距接收电路的设计

A1,A2放大器1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号幅度变化而变化,从而达到自动调整放大器增益的目的

[3]

。其中,J1为信号输入;J2

为信号输出。

图5 前置放大电路

5 放大整形电路

前置放大电路输出的信号,幅度、信噪比还不足以满足测量单元的要求。为了得到足够的放大倍数和更高的信噪比,后续的信号处理还需要进行放大和整形。信号的放大处理采用同相比例运算电路,进行固定增益的放大。信号的整形处理采用比较器MAX913,正端为输入信号,负端接电源,通过电位器调节电压,作为比较电压,提取出/干净0的脉冲信号

[5]

[4]

号控制在一定幅值范围内,方便后续电路的处理。放大整形电路能进一步得到足够放大倍数的信号,有效地去除噪声,提高信噪比,为后续测量单元的时间间隔测量提供了保证。参考文献

[1] 黄震.脉冲激光测距接收电路与计时方法研究[D].杭

州:浙江大学,[2] AnalogDevices,

logDevices,

Inc,2004.

Inc.AD603Datasheet[Z].USA:Ana-1995.2000(11):

2003.2004.

15-16.

3版.北

,以提高测量精度。

[3] 刘春生,李小波.AD603在信号采集系统中的应用[J].

国外电子元器件,

[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].

京:高等教育出版社,南京:南京理工大学,

6 结束语

该电路中,采用高压发生电路和反馈回路,达到

了APD工作所需的高压要求。前置放大电路的AGC功能有效地解决了回波信号范围变化大的问题,把信

[5] 任明冰.半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计[D].

欢迎投稿

投稿请登录:www1dianzikeji1org

电子#

电路

2010年第23卷第4期

ElectronicSci1&Tech1/Apr115,2010

脉冲激光测距接收电路的设计

张育琪,徐 军,杨 佩

(西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安 710071)

摘 要 从脉冲激光测距的特点出发,结合APD工作条件,以及回波信号特征,设计了一种脉冲激光测距接收电路。该电路采用两级放大电路,其中前置放大电路具有自动增益控制功能,有效地解决了因测量距离的远近不同而导致回波信号幅度变化大的问题,为后续电路的信号处理提供了条件。

关键词 脉冲激光;激光测距;测距接收电路;高压设计

中图分类号 TN242 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2010)04-030-03

DesignoftheReceiverCircuitinPulsedLasedRangFinding

ZhangYuq,iXuJun,YangPei

(SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xipan710071,China)

Abstract Aproperpulsedlaserrangfindingreceivercircuitisdesignedbasedonthecharacteristicsofpulsedlaserrangefinding,theworkingconditionsofAPD,andthecharacteristicsoftheechosigna.lThiscircuitadopts

twostageamplifiercircuits,

inwhichthepre-amplifiercircuithastheautomaticgaincontrolfunction,andtherefore

theproblemofgreatvaryingrangeofechosignalscausedbydifferentmeasuringdistanceisresolvedefficiently,thusfacilitatingthesignalprocessinginfollowingcircuits.

Keywords pulsedlaser;

laserrangefinding;

rangefindingreceivercircuit;designofhighvoltage

在脉冲激光测距系统中,其基本原理就是通过测量激光脉冲的传播时间来确定距离。由于激光脉冲在传输过程中,会受到空气、温度、湿度等因素的影响,引起畸变和衰减。特别是在测量远距离的目标时,激光脉冲的远距离传输,其回波信号携带很大的噪声,信噪比很低。而且,由于测量距离的远近不同,回波信号的幅度变化很大。因此,设计合理的接收电路,解决回波信号幅度变化大的问题,提高回波信号的信噪比,还原出回波信号,正确测量出激光脉冲传播的时间差,是激光测距系统的一个重要部分。

回波截止信号,送至测量单元,

进行时间间隔的测量。

图1 激光测距接收电路原理框图

2 APD驱动电路

APD驱动电路如图2所示,其中,VH为高压发生电路产生的160V电压,作为APD的工作电压。R1为限流电阻,保护APD,防止电流过大烧坏晶体管;C为滤波电容,靠近APD放置,滤除高压引起的杂波。由于APD把接收到的光信号转换为电流信号,因此运算放大器OPA356和电阻R2完成电流转电压功能,把APD输出的电流信号转换为电压信号,U=-I=R2,

提供给后续电路。

1 接收电路原理框图

如图1所示为激光测距接收电路原理框图。高压发生电路产生高压,作为APD(雪崩光电二极管)的工作电压。反馈回路使产生的高压稳定,不受电源电压、温度等因素的影响,同时使该高压在一定范围内可调。通过APD驱动电路,把接收到的回波光脉冲信号转换为电压脉冲信号,输入到前置放大电路。信号经过预处理,然后再经过一级放大和整形等操作,即可作为

收稿日期:

2009-11-25

作者简介:张育琪(1983-),男,硕士研究生。研究方向:红外系统,模式识别,图像处理。

图2 APD驱动电路

张育琪,等:脉冲激光测距接收电路的设计

电子#电路

池供电。因此,在系统中,需要用到将5V的电源电压升到160V的高压发生电路,图3是高压发生电路的原理图

[1]

3 高压发生电路

在APD的驱动电路中,需要用到160V的高压偏置。因为是手持式激光测距,在供电方面只能是电

。

图3 高压发生电路

该电路中,由555振荡器组成的方波发生器,产生一定占空比的方波,控制开关三极管3DK9的导通、截止。当三极管导通时,由于集电极和发射极之间的电压VCE很低,故二极管D2截止。这时,能量由电源注入,储存在电感中。负载由滤波电容C16提供,电容C16将自身储存的能量CV/2提供给负载。当三极管截止时,由于电感的自感效应,电感上的电流不能发生突变,它产生的感应电动势阻止电流的减小。二极管D2导通,电感将储能LI/2注入电容中,供给电容储能,并同时供给负载。通过产生方波控制开关三极管3DK9的导通、截止,电感的储能作用、自感效应,电容的储能作用,从而在输出端得到所需的高压。

由于该电路产生的电压会受到电源电压、温度等因素的影响,因此为了使其产生的高压稳定,并且使该高压在一定范围内可调,在高压发生电路中加入一

[1]

个反馈回路,如图4所示。

反馈信号输入至555振荡器的第5管脚,通过控制该管脚,可以使555振荡器输出方波的频率和占空比发生变化,从而控制输出电压,使高压发生电路工作稳定。该回路可通过调节电位器R12,改变反馈电

22

压Vref的大小,实现高压在一定范围内可调。

图4 反馈回路

4 前置放大电路

测距时,由于测量距离的远近不同,导致APD驱动电路输出的电压信号变化的幅度很大。为了得到一个幅值变化较小的信号,在前置放大电路中,选取具有自动增益控制(AGC)功能的放大器AD603,如图5所示。

该电路由两片AD603顺序级联而成,目的是为了提高信号的信噪比。用三极管2N3906和3904级联,实现对输出信号的峰值检波。图5中,由Q1和R8组成一个检波器,用于检测输出信号幅度的变化。

[2]

31

电子#电路

由CAV形成自动增益控制电压VAGC,流进电容CAV的电流为Q2和Q1两管的集电极电流之差,而且其大小随A2输出信号的幅度大小变化而变化,这使得加在

张育琪,等:脉冲激光测距接收电路的设计

A1,A2放大器1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号幅度变化而变化,从而达到自动调整放大器增益的目的

[3]

。其中,J1为信号输入;J2

为信号输出。

图5 前置放大电路

5 放大整形电路

前置放大电路输出的信号,幅度、信噪比还不足以满足测量单元的要求。为了得到足够的放大倍数和更高的信噪比,后续的信号处理还需要进行放大和整形。信号的放大处理采用同相比例运算电路,进行固定增益的放大。信号的整形处理采用比较器MAX913,正端为输入信号,负端接电源,通过电位器调节电压,作为比较电压,提取出/干净0的脉冲信号

[5]

[4]

号控制在一定幅值范围内,方便后续电路的处理。放大整形电路能进一步得到足够放大倍数的信号,有效地去除噪声,提高信噪比,为后续测量单元的时间间隔测量提供了保证。参考文献

[1] 黄震.脉冲激光测距接收电路与计时方法研究[D].杭

州:浙江大学,[2] AnalogDevices,

logDevices,

Inc,2004.

Inc.AD603Datasheet[Z].USA:Ana-1995.2000(11):

2003.2004.

15-16.

3版.北

,以提高测量精度。

[3] 刘春生,李小波.AD603在信号采集系统中的应用[J].

国外电子元器件,

[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].

京:高等教育出版社,南京:南京理工大学,

6 结束语

该电路中,采用高压发生电路和反馈回路,达到

了APD工作所需的高压要求。前置放大电路的AGC功能有效地解决了回波信号范围变化大的问题,把信

[5] 任明冰.半导体脉冲激光测距机的硬件电路设计[D].

欢迎投稿

投稿请登录:www1dianzikeji1org