CN104714220A - 激光发射电路、激光接收电路、距离计算电路及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种激光发射电路、激光接收电路、距离计算电路及其设备。其中，激光发射电路包括：储能电容、激光发射管、MOS开关电路和MOS开关驱动电路。激光接收电路包括：激光接收管、第一低噪声三极管、第二低噪声三极管和低噪声宽带放大器。距离计算电路包括：单片机、可编程逻辑电路、时钟源、回波监别电路。本发明还提出了一种低压电源电路，此电路在不加反接二极管的情况下，对外接电源提供反接保护。根据本发明提出的技术方案，能够有效提高半导体激光测距仪的测距范围及测距精度。

Description

激光发射电路、激光接收电路、距离计算电路及其设备

技术领域

本发明涉及激光测距领域，具体而言，本发明涉及激光发射电路、激光接收电路、距离计算电路、电源及其设备。

背景技术

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束椭圆锥形的激光，由光电元件接收被目标反射的激光，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。半导体激光测距仪具有重量轻、体积小、耗电省、操作简单的优点。现有技术中的半导体激光测距仪，其电子线路也包括激光发射电路、激光接收电路和用于距离计算的主板电路。

现有技术中的激光发射电路主要由两个雪崩三极管构成开关电路，由于雪崩三极管的开关时间较长，峰值脉冲电流（Ip=10A）较小，因此，为激光发射管提供的脉冲电流减少，激光发射管发出的激光峰值功率不能达到其额定值，使激光发射管没有得到充分利用，从而使半导体激光测距仪的测距能力减弱。

现有技术中的激光接收电路通常由4个三极管组成前、后两级放大器，由于后级放大器的放大倍数较低，并且不便于调整，因此降低了半导体激光测距仪的测程，特别是对于使用PIN光电二极管的激光测距仪。

现有技术中用于计算距离的电路原理采用时间扩展法，电路主要元件有：单片机、触发器、MOS场效应管、时间电容及开关三极管等元件。其缺点是：对充、放电的时间电容要求苛刻，要求电容漏电小，温度稳定性好。另外，受电容器充、放电线性不良的影响，距离测量误差在不同的距离段差别较大，需要多距离段进行误差校准。

因此，有必要提出有效的技术方案，提高半导体激光测距仪的测距范围及测距精度，简化测距误差的校准步骤。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别解决现有技术中半导体激光测距仪的测程较短以及测距误差校准步骤多的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种激光发射电路，包括：储能电容、激光发射管、MOS开关电路和MOS开关驱动电路，

所述储能电容的低电位端与所述激光发射管的负极相连接，所述储能电容的高电位端与所述MOS开关电路的漏电极相连接；

所述MOS开关电路的接地端与所述激光发射管的正极相连接；

所述MOS开关驱动电路的输出端与所述MOS开关电路的输入端相连接。

本发明另一方面还提出一种激光接收电路，包括：激光接收管、第一低噪声三极管、第二低噪声三极管和低噪声宽带放大器，

所述激光接收管的正电极与所述第一低噪声三极管的基极相连接；

所述第一低噪声三极管的发射极与所述第二低噪声三极管的基极相连接；

所述第二低噪声三极管的集电极通过电容器与所述低噪声宽带放大器的输入端相连接；

当所述激光接收管接收到回波激光时，将所述回波激光转换成电脉冲；所述电脉冲依次通过由所述第一低噪声三极管和所述第二低噪声三极管组成的前级放大，再通过所述低噪声宽带放大器的后级放大，以生成回波信号并输出。

本发明另一方面还提出一种用于计算距离的电路，包括：单片机、可编程逻辑电路、时钟源、回波监别电路，其中，所述回波监别电路的输出端与所述可编程逻辑电路的输入端相连接，所述时钟源的输出端与所述可编程逻辑电路的输入端相连接，所述可编程逻辑电路的输出端与所述单片机的输入端相连接；

所述回波监别电路，用于监别来自激光接收电路输出的信号，所述信号包括目标的回波信号和噪声，通过控制所述回波监别电路的阈值，实现最小距离不大于5m的回波探测；

所述可编程逻辑电路，用于接收所述回波监别电路输出的回波脉冲，并根据所述时钟源信号对所述回波脉冲进行时间测量；

所述单片机，用于对所述可编程逻辑电路进行控制，根据所述可编程逻辑电路提供的时间测量信息，计算所述目标的距离。

本发明另一方面还提出一种半导体激光测距仪，包括上述公开的任一电路的设备。

本发明提出的技术方案中，激光发射电路使激光发射管得到充分的利用，提高了激光发射功率，增加了测距仪的测程。另外，本发明提出的技术方案中，激光接收电路提高了放大微弱回波信号的能力，且便于调试。此外，本发明的用于计算距离的主板电路，可提高距离测量精度，简化距离误差校准步骤。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明半导体激光测距仪电路的总体原理框图；

图2为本发明实施例半导体激光测距仪的激光发射电路的功能示意图；

图3为本发明实施例半导体激光测距仪的激光发射电路的电原理图；

图4为本发明实施例半导体激光测距仪的激光接收电路的功能示意图；

图5为本发明半导体激光测距仪的激光接收电路的电原理图；

图6为本发明实施例半导体激光测距仪的用于计算距离电路的功能示意图；

图7为本发明半导体激光测距仪的用于计算距离的电路的电原理图；

图8为本发明半导体激光测距仪的目标回波监别电路的电原理图；

图9为本发明半导体激光测距仪的低压电源电路的电原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明半导体激光测距仪电路的总体原理框图。图1中图示为：1、触发开关，2、模式开关，3、低压电源，4、高压电源，5、回波监别电路，6、可编程逻辑电路，7、时钟源，8、单片机，9、液晶显示器，10、激光发射电路，11、激光发射管，12、激光接收电路，13、激光接收管。

在图1中，作为本发明的实施例，激光发射电路10和激光发射管11安装在激光发射电路板上，激光接收电路12和激光接收管13安装在激光接收电路板上，其余电路1～8全部安装在主电路板上，液晶显示器9安装在测距仪的目镜中。3V电池经低压电源电路3中的二片DC-DC升压变换器后输出三组5V电源，一组（CVCC-5V）供给高压电源电路4，第二组（5V）供给激光接收电路12和回波监别电路5，第三组（5VV）供给单片机8，再通过三端稳压器输出3V供给可编程逻辑电路6及时钟源7。

测距时按动触发开关1，模式转换时按动模式开关2。总电源的定时接通时间、接收电源的接通、高压电源的工作及激光发射时刻的指令均由单片机分别发出。当电池电压下降到预定值时，由单片机给出信号使液晶显示器9显示电池欠压符号，提示更换电池。

单片机输出的驱动信号通过插座45与液晶显示器连接，激光发射电路板通过插座46与主电路板连接，激光接收电路板通过插座47、48与主电路板连接。

如图2所示，为本发明实施例半导体激光测距仪的激光发射电路的功能示意图；图2中图示为：110、MOS开关驱动电路，120、MOS开关电路，130、储能电容，140、激光发射管。

具体而言，储能电容130的低电位端与激光发射管140的负极相连接，储能电容130的高电位端与MOS开关电路120的漏电极相连接；MOS开关电路120的接地端与激光发射管140的正极相连接；MOS开关驱动电路110的输出端与MOS开关电路120的输入端相连接。

通过MOS开关驱动电路110控制MOS开关电路120，包括：MOS开关驱动电路110被触发时，控制MOS开关电路120的接通，使得储能电容130对激光发射管140放电，以使激光发射管140产生脉冲激光；或者，MOS开关驱动电路110无输出时，MOS开关电路120关闭，使得高压电源对储能电容130进行充电，以准备下一次激光发射。

作为本发明的实施例，MOS开关电路120的开关时间满足以下条件：

开启时间ton≤10ns，关闭时间toff≤22ns。

作为本发明的实施例，MOS开关电路120的脉冲电流满足以下条件：

脉冲电流Ip=100A。

通常，使用雪崩三极管的开关时间ton、toff会较长，例如：ton=50～110ns，toff=460～1650ns，其产生的峰值脉冲电流也较小，例如Ip=10A，因此，为发射管提供的峰值电流减少，发射管发出的激光峰值功率不能达到额定值，激光发射管没有得到充分利用，使测距能力减弱。

本发明的激光发射电路，采用高速CMOS集成电路作放电开关，例如：BSC600N25，它使得：MOS开关电路120的开关时间达到以下条件：开启时间ton≤10ns，关闭时间toff≤22ns。例如，作为本发明的实施例，其开启时间ton、关闭时间toff远小于现有的电路中所使用的雪崩三极管。MOS开关电路120的脉冲电流为：Ip=100A，远大于现有的电路所使用的雪崩三极管的脉冲电流，从而为发射管提供了较大的峰值电流，保证激光峰值功率达到额定值，充分发挥了激光发射管140的作用，使测距能力提高。

因此，MOS开关电路120有快速的开关时间和大的脉冲电流，通过激光发射管140的脉冲电流加大，使其产生的脉冲激光加强，从而使半导体激光测距仪的测程达到2Km甚至更远的距离。

如图3所示，为本发明半导体激光测距仪的激光发射电路的电原理图。

图3中图示为：11、激光发射管，14、MOS开关驱动电路，15、MOS开关电路，16、储能电容，46、插座。

作为本发明的实施例，本发明的激光发射电路采用高速CMOS集成电路作放电开关，其开关时间ton=10ns，toff=22ns远小于现有技术电路中所使用的雪崩三极管的开关时间，脉冲电流Ip=100A，远大于现有技术电路中所使用的雪崩三极管的脉冲电流，从而为发射管提供了较大的峰值电流，保证激光峰值功率达到额定值，充分发挥了激光发射管的作用。MOS开关电路120的快速开关时间和大的脉冲电流使通过所述激光发射管140的脉冲电流加大，使其产生的脉冲激光加强，从而使半导体激光测距仪的测程达到2Km甚至更远的距离。

在图3中，激光发射管11由储能电容16提供输入能量，当MOS开关电路15接通时，储能电容16对激光发射管11放电，一个几十安培的脉冲电流通过激光发射管11使它发出几十瓦的脉冲激光。MOS开关驱动电路14的触发信号（FSctrl）来自主电路板的可编程逻辑电路6，此触发信号同时也作为测距时间测量的启动信号。储能电容16的充电电压来自高压电源TX-HV，这个电压大约有120V，当MOS开关电路15关断时，储能电容16被充电。该电路的输入高压电源和触发信号通过插座46与主电路板连接。

图4为本发明实施例的半导体激光测距仪的激光接收电路的功能示意图；图4中图示为：210、激光接收管，220、第一低噪声三极管，230、第二低噪声三极管，240、低噪声宽带放大器，激光接收管210的正电极与第一低噪声三极管220的基极相连接；第一低噪声三极管220的发射极与第二低噪声三极管230的基极相连接；第二低噪声三极管230的集电极通过电容器与低噪声宽带放大器240的输入端相连接；当激光接收管210接收到回波激光时，将回波激光转换成电脉冲；电脉冲依次通过由第一低噪声三极管220和第二低噪声三极管230组成的前级放大，再通过低噪声宽带放大器240的后级放大，以生成回波信号并输出。

激光接收管210的输入端与高压电源单元连接，此高压电源作为激光接收管210的工作偏压，第一低噪声三极管220、第二低噪声三极管230和低噪声宽带放大器240的电源由低压电源单元提供。

如图5所示，为本发明半导体激光测距仪的激光接收电路的电原理图。图5中图示为：17、第一低噪声三极管，18、第二低噪声三极管，19、低噪声宽带放大器，47、插座，48、插座。

本发明的激光接收电路采用2个低噪声NPN型三极管作前级放大。也就是，由第一低噪声三极管和第二低噪声三极管组成的前级放大具有较高的信噪比，并且与激光接收管有较好的阻抗匹配；后级低噪声宽带放大器的电压放大倍数从0～400倍可调，其带宽达到50MHz，对回波脉冲有较快的频率响应，适用于更高测距精度（例如0.1m）的激光测距仪。本发明的激光接收电路可提供较高的放大倍数，增强对弱信号的放大能力。整个接收电路的信噪比高、频带宽，接收弱回波信号的能力强，当接收管使用有内增益的雪崩光电二极管时，可使半导体激光测距仪的测程达到2Km甚至更远的距离。使用没有内增益的PIN光电二极管时，可实现较高的接收灵敏度，提高半导体激光测距仪的测距能力。而PIN光电二极管的突出优点是廉价且偏置电源简单。

在图5中，激光接收管13的工作电压由电源RE-HV提供，回波信号放大电路的工作电压由+5V电源提供。当激光接收管收到目标反射的激光回波时，它将光信号转换成微弱的电脉冲，先由第一低噪声三极管17、第二低噪声三极管18组成前级放大，再通过低噪声宽带放大器19进行后级放大，然后输出回波信号(BACK)送至目标回波监别电路。激光接收电路的电源5V由单片机输出5VC进行控制。该电路的输入高压电源和5V电源通过插座47与主电路板连接，输出回波信号通过插座48与主电路板连接。

如图6所示，为本发明实施例的半导体激光测距仪用于计算距离的电路的功能示意图；图6中图示为：310、回波监别电路，320、可编程逻辑电路，330、时钟源，340、单片机。其中，回波监别电路的输出端与可编程逻辑电路的输入端相连接，时钟源的输出端与可编程逻辑电路的输入端相连接，可编程逻辑电路的输出端与单片机的输入端相连接。回波监别电路，用于监别来自激光接收电路的输出信号，信号包括目标的回波和噪声，监别后输出回波脉冲；可编程逻辑电路，用于接收回波脉冲，并根据时钟源信号对回波脉冲进行时间测量；单片机，用于对可编程逻辑电路进行控制，根据可编程逻辑电路提供的时间测量信息，计算出目标的距离并驱动显示器。其中，时钟源为100MHz的石英晶体振荡器，由于100MHz的石英晶体时钟频率稳定性高，使得产生的距离测量误差小，从而简化了距离误差校准步骤。

作为本发明的实施例，单片机的16个输出端与LCD显示器相连接，3个输入端与可编程逻辑电路3个输出端相连接，一个输入端与模式开关相连接，一个输入端与触发开关相连接，两个输出端与低压电源控制端相连接，两个输出端与目标回波监别电路相连接。可编程逻辑电路的一个输入端与时钟源相连接，3个输出端与单片机3个输入端相连接，一个输出端与发射电路相连接，两个输出端与高压电源控制端相连接，一个输入端与目标回波监别电路输出端相连接。

作为本发明的实施例，半导体激光测距仪用于计算距离的主板电路，还包括：

低压电源单元和高压电源单元；低压电源单元和高压电源单元分别对激光发射电路、激光接收电路和主板上的其它电路供电。

半导体激光测距仪用于计算距离的主板电路，还受触发开关和模式开关的控制。触发开关用于测距控制，模式开关用于对测量单位（米或码）和测量功能进行切换。

半导体激光测距仪用于计算距离的主板电路，还包括：

电池电压取样分压器，用于监测电池的使用状况；低压电源电路具有电池反接保护功能，当电池接反时，按下触发开关，显示器不亮，并且电池处于开路状态，对电池无伤害。

如图7所示，为本发明半导体激光测距仪用于计算距离的电路的电原理图。图7中图示为：2、模式开关，6、可编程逻辑电路，7、时钟源，8、单片机，20、三极管，21、电阻，22、电阻；其中，时钟源的工作频率是100MHz。

本发明实施例中用于计算距离及测距时序的主板电路主要元件有：单片机P89LPC9401、可编程逻辑电路EPM3032、100MHz有源钟频振荡器和高速比较器MAX913等元件。

其距离测量工作原理是：由激光接收电路板输出回波信号，经高速比较器MAX913整形后得到回波脉冲，回波脉冲加到可编程逻辑电路EPM3032的一个输入端，利用100MHz有源时钟，从发射激光开始对时钟进行计数，至目标回波到达测距仪时停止计数，计下的时钟个数即为激光的传输时间，此时间由单片机P89LPC9401转换成距离数字并显示，测距误差为±1m。测距过程的时间程序，由单片机对各部分电路进行控制。本发明的距离测量为直接计数法，由于100MHz的石英晶体时钟频率稳定性高，产生的距离测量误差小，从而简化了距离误差校准步骤。

在图7中，单片机8用于测距时序控制、电源控制及液晶显示器的驱动，可编程逻辑电路6和时钟源7用于时间测量，时间测量的起点是由它产生的FSctrl信号，终点是BACKW信号，即目标回波信号。三极管20作为可编程逻辑电路6的电源控制，控制信号来自单片机8的3VC。模式开关2用于测距模式（测量单位、功能等）的转换。电阻21、22作为电池电压取样分压器，以监测电池的使用情况。

如图8所示，为本发明半导体激光测距仪的目标回波监别电路的电原理图。图8中图示为：23、三极管，49、第一控制三极管，50、第二控制三极管，24、高速比较器，25、可变电阻，48、插座（与接收电路相同）。

在图8中，激光接收电路的输出信号中包含目标回波信号和噪声，要从目标回波信号和噪声中选出有效的回波信号，需要一个高速、低噪声电路进行监别，图8电路执行了这个功能。目标回波监别电路的电源（5V）与激光接收电路电源相同，三极管23作为目标回波监别电路电源的控制管，控制信号来自单片机8输出的5VC信号。高速比较器24用于回波信号和噪声的监别，其输入（BACK）通过插座48与主电路板连接，其输出信号（BACKW）是通过整形后的回波脉冲。可变电阻25用于监别阈值的调整。可变电阻25下端的两个三极管49、50的基极控制信号（TPG1、TPG2）来自单片机，有自动升高监别阈值的作用，用于近距离强回波信号的抑制，以使激光测距仪能达到不大于5m的近距离测量。

如图9所示，为本发明实施例的半导体激光测距仪的低压电源电路的电原理路图。26、三极管，27、集成电路，28、二极管，29、电感，30、电容，31、三端稳压器，32、集成电路，33、二极管，34、电感，35、电容。

三极管26作为总电源的控制，当触发开关（ACT）短时间按下时，单片机上电，其输出Start信号在定时时间内保持三极管26的接通，以保证后续电源的正常工作。DC-DC升压电路（含集成电路27、二极管28、电感29、电容30等元件）输出5VV电压供单片机8，三端稳压器31输出3V供100MHz的时钟源7和可编程逻辑电路6。DC-DC升压电路（含集成电路32、二极管33、电感34、电容35等元件）输出CVCC电压供高压电源电路7。三端稳压器31为100MHz的时钟源7和可编程逻辑电路6提供3V电源，其中可编程逻辑电路6的电源CVC受单片机控制。本发明实施例的半导体激光测距仪的低压电源电路，在不加反接保护二极管的情况下，可实现电池的反接保护，从而提高了电池的使用效率。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光发射电路，其特征在于，包括：储能电容、激光发射管、MOS开关电路和MOS开关驱动电路，

所述储能电容的低电位端与所述激光发射管的负极相连接，所述储能电容的高电位端与所述MOS开关电路的漏电极相连接；

所述MOS开关电路的接地端与所述激光发射管的正极相连接；

所述MOS开关驱动电路的输出端与所述MOS开关电路的输入端相连接。

2.如权利要求1所述的激光发射电路，其特征在于，通过所述MOS开关驱动电路控制所述MOS开关电路，包括：

所述MOS开关驱动电路被触发时，控制所述MOS开关电路的接通，使得所述储能电容对所述激光发射管放电，以使所述激光发射管产生脉冲激光；或者，

所述MOS开关驱动电路无输出时，所述MOS开关电路关闭，使得高压电源对所述储能电容进行充电，以准备下一次激光发射。

3.如权利要求1或2所述的激光发射电路，其特征在于，所述MOS开关电路的开关时间满足以下条件：

开启时间ton≤10ns，关闭时间toff≤22ns。

4.如权利要求1或2所述的激光发射电路，其特征在于，所述MOS开关电路的脉冲电流满足以下条件：

脉冲电流Ip≥100A。

5.一种激光接收电路，其特征在于，包括：激光接收管、第一低噪声三极管、第二低噪声三极管和低噪声宽带放大器，

所述激光接收管的正电极与所述第一低噪声三极管的基极相连接；

所述第一低噪声三极管的发射极与所述第二低噪声三极管的基极相连接；

所述第二低噪声三极管的集电极通过电容器与所述低噪声宽带放大器的输入端相连接；

当所述激光接收管接收到回波激光时，将所述回波激光转换成电脉冲；所述电脉冲依次通过由所述第一低噪声三极管和所述第二低噪声三极管组成的前级放大，再通过所述低噪声宽带放大器的后级放大，以生成回波信号并输出。

6.如权利要求5所述的激光接收电路，其特征在于，所述第一低噪声三极管和所述第二低噪声三极管组成了低噪声前级放大，所述低噪声宽带后级放大器的最大电压放大倍数可达到400倍，且能够调整，其中，所述低噪声宽带放大器的带宽不小于50MHz，满足测距精度0.1m测距仪的需要。

7.如权利要求6所述的激光接收电路，其特征在于，所述激光接收电路特别适用于PIN光电二极管。

8.一种用于计算距离的电路，其特征在于，包括：单片机、可编程逻辑电路、时钟源、回波监别电路，

其中，所述回波监别电路的输出端与所述可编程逻辑电路的输入端相连接，所述时钟源的输出端与所述可编程逻辑电路的输入端相连接，所述可编程逻辑电路的输出端与所述单片机的输入端相连接；

所述回波监别电路，用于监别来自激光接收电路的信号，所述信号包括目标的回波信号和噪声，通过控制所述回波监别电路的阈值，可实现最小距离不大于5m的回波探测；

所述可编程逻辑电路，用于接收所述回波脉冲，并根据所述时钟源信号对所述回波脉冲进行时间测量；

所述单片机，用于对所述可编程逻辑电路进行控制，根据所述可编程逻辑电路提供的时间测量信息，计算目标的距离。

9.如权利要求8所述的用于计算距离的电路，其特征在于，使用了100MHz的频率的有源石英晶体振荡器作为所述时钟源。

10.一种半导体激光测距仪，其特征在于，包括权利要求1-9任一电路的设备。