CN106597366A - 一种光电探测器的信号处理*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电探测器的信号处理***，光电探测器输出的电流脉冲信号通过前置放大模块转换成电压脉冲信号，可变增益控制模块接收电压脉冲信号进行提取放大，峰值保持模块对可变增益控制模块输出的信号峰值保持时间进行延迟，A/D转换器对峰值保持模块输出的信号进行采样，处理器接收A/D转换器输出的并口及控制信号并进行目标角度值解算，处理器将计算结果通过收发器发送至中控计算机。本发明通过综合设计考虑，既能用于APD光电探测器的后级信号处理电路，也能作为PIN光电探测器的后级信号处理电路，同时还能够提高随动激光目标探测***的探测精度，而且能够有效控制研发成本。

Description

一种光电探测器的信号处理***
技术领域
本发明属于激光目标探测与控制领域，具体涉及一种光电探测器的信号处理***，适用于激光目标探测***中PIN、APD等光电探测器的后级信号处理电路。
背景技术
在激光目标探测***中，通常采用四象限光电探测器探测目标方位。当目标发生偏移时，由于象限间辐射通量的变化，引起各个象限输出的光电流变化，四象限探测器输出的脉冲信号也会有相应的变化，脉冲信号经过一系列处理后会得到目标角度解算值。所以，光电信号的处理至关重要，直接影响到***的探测精度。
一般情况下，在选型上选择带有I/V转换功能的前置放大器的集成光电探测器，其不需要设计前置放大器，有利于缩短产品研发时间。但是，由于集成光电探测器需要内部集成放大器，控制接口固化，不利于设计的灵活性，而且封装成本较高，也不利于产品开发的低成本化。
同时，由于APD光电探测器的响应度比PIN光电探测器的要高的多，探测距离要远的多，其在微弱激光能量情况下，输出的脉冲信号在宽度上存在较大区别，因此在后级信号处理电路上也存在差异。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种光电探测器的信号处理***，能够提高随动激光目标探测***的探测精度。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种光电探测器的信号处理***，光电探测器输出的电流脉冲信号通过前置放大模块转换成电压脉冲信号，可变增益控制模块接收电压脉冲信号进行提取放大，峰值保持模块对可变增益控制模块输出的信号峰值保持时间进行延迟，A/D转换器对峰值保持模块输出的信号进行采样，处理器接收A/D转换器输出的并口及控制信号并进行目标角度值解算，处理器将计算结果通过收发器发送至中控计算机。
较佳地，可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后输送至峰值保持模块，峰值保持模块于A/D转换器之间还设有第二缓冲放大器。
较佳地，可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后还输送至同步触发信号产生模块，同步触发信号产生模块产生同步触发信号并输送至处理器，用于对A/D转换器的采样进行控制，并进行码型识别。
较佳地，处理器的串行外设接口连接有D/A转换器的信号输入端，D/A转换器分别向可变增益控制模块和同步触发信号产生模块提供增益控制电压和基准电压。
较佳地，D/A转换器输出控制电压到线性可调高压电源模块，线性可调高压电源模块输出偏压控制信号到光电探测器。
较佳地，光电探测器包括APD光电探测器和PIN光电探测器。
较佳地，前置放大模块包括光电二极管放大器OPA656，光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端通过电容C1连接光电探测器的输出端，光电二极管放大器OPA656的电压输出端用于连接可变增益控制模块，光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端与电压输出端之间设有反馈环路，反馈环路包括并联的电阻R2和电容C2；光电探测器的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地，前置放大模块通过电阻R1将光电探测器输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号。
较佳地，可变增益控制模块包括可变增益放大器AD8336，可变增益放大器AD8336的信号输入端INPN和可变增益放大器AD8336的控制端Vp连接前置放大模块的信号输出端，可变增益放大器AD8336的信号输出端用于连接峰值保持模块；可变增益控制模块还包括连接于可变增益放大器AD8336的放大倍数配置电路和滤波电路。
较佳地，峰值保持模块包括用于接收第一缓冲放大器或可变增益控制模块输出的Vin电压脉冲信号的跨阻放大器D，跨阻放大器D输出电压Vout的输出端用于连接采样电路，跨阻放大器D对电压脉冲信号Vin和输出电压Vout之间的压差进行放大，跨阻放大器D输出的电流通过肖特基二极管Z对保持电容C4进行充电；肖特基二极管Z的阳极和阴极分别连接跨阻放大器D的电流输出端C和缓冲输入端IN。
较佳地，肖特基二极管Z的阴极还通过保持时间控制电路连接控制器，保持时间控制电路包括高速开关管Q和保持电容C4，肖特基二极管Z的阴极连接保持电容C4的一端，保持电容C4的另一端接地；高速开关管Q的集电极通过电阻R8连接保持电容C4，高速开关管Q的基极通过电阻R5连接控制器接收控制信号Discharge，高速开关管Q的发射极接地，高速开关管的基极和发射极之间还设有电阻R7。
本发明的有益效果在于：光电探测器接收到激光能量后，输出电流脉冲信号，为了便于后级处理首先要通过前置放大模块进行I/V转换，将电流脉冲信号变成电压脉冲信号；由于电压脉冲信号的动态范围理论上高达70dB，当光电探测器接收到的激光能量很微弱时，得到的电压脉冲信号会很小，甚至淹没在噪声之中，此时就需要可变增益控制模块对电压脉冲信号进行提取放大，并经过峰值保持模块处理，然后送入A/D转换器进行有效采样；针对光电探测器在微弱能量下输出脉冲信号宽度较窄，而且随动激光目标探测***由于伺服电机驱动而存在噪声干扰，脉冲信号的峰值保持模块可使峰值保持时间延迟到数十us，便于连续采样以及数据软件滤波算法处理，有利于提高探测精确性；峰值保持模块输出的信号经过第二缓冲放大器后，直接送入同步采样A/D转换器进行单周期多次连续采样，用于目标角度值解算；电压脉冲信号在经过可变增益控制模块及第一缓冲放大器后，进入同步触发信号产生模块，产生同步触发信号送入DSP处理器外部中断，用于A/D采样控制以及码型识别；最后将得到的目标角度解算值通过CAN通信发送给中控计算机。通过控制线性可调高压电源模块来控制光电探测器的响应度，配合可变增益控制模块完成整个***的增益控制。本发明针对APD光电探测器在微弱能量下输出脉冲信号宽度较窄，而且随动激光目标探测***由于伺服电机驱动而存在噪声干扰，设计一种脉冲信号的峰值保持模块，可使峰值保持时间延迟到数十us，便于连续采样以及数据软件滤波算法处理，能够使导引头测量目标方位或俯仰角度的稳定性与精确性得到很大改善，有利于提高探测精确性。通过综合设计考虑，既能用于APD光电探测器的后级信号处理电路，也能作为PIN光电探测器的后级信号处理电路，同时还能够提高随动激光目标探测***的探测精度，而且能够有效控制研发成本。
附图说明
图1为本发明实施例的***总体结构示意图；
图2是本发明的前置放大模块的电路结构图；
图3是本发明的可变增益控制模块的电路结构图；
图4是本发明的峰值保持模块的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
一种光电探测器的信号处理***，光电探测器输出的电流脉冲信号通过前置放大模块转换成电压脉冲信号，可变增益控制模块接收电压脉冲信号进行提取放大，可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后输送至峰值保持模块，峰值保持模块对接收到电压脉冲信号的信号峰值保持时间进行延迟，A/D转换器对经第二缓冲放大器放大之后的峰值保持模块输出的信号进行采样，处理器接收A/D转换器输出的并口及控制信号并进行目标角度值解算，处理器将计算结果通过收发器发送至中控计算机。
可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后还输送至同步触发信号产生模块，同步触发信号产生模块产生同步触发信号并输送至处理器，用于对A/D转换器的采样进行控制，并进行码型识别。
处理器的串行外设接口连接有D/A转换器的信号输入端，D/A转换器分别向可变增益控制模块和同步触发信号产生模块提供增益控制电压和基准电压。
D/A转换器输出控制电压到线性可调高压电源模块，线性可调高压电源模块输出偏压控制信号到光电探测器。
本实施例中，前置放大模块包括光电二极管放大器OPA656，光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端通过电容C1连接光电探测器的输出端，光电二极管放大器OPA656的电压输出端用于连接可变增益控制模块，光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端AXI与电压输出端AX之间设有反馈环路，反馈环路包括并联的电阻R2和电容C2；光电探测器的输出端连接电阻R1的一端，电阻R1另一端接地，前置放大模块通过电阻R1将光电探测器输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号。前置放大模块主要以低噪声宽动态范围的光电二极管放大器OPA656为核心，如图2所示，其通过电阻R1将光电探测器输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号，以便于后级处理。
可变增益控制模块包括可变增益放大器AD8336，可变增益放大器AD8336的信号输入端INPN和可变增益放大器AD8336的控制端Vp连接前置放大模块的信号输出端，可变增益放大器AD8336的信号输出端用于连接峰值保持模块；可变增益控制模块还包括连接于可变增益放大器AD8336的放大倍数配置电路和滤波电路。本实施例可变增益控制模块主要以高动态范围的可变增益放大器AD8336为核心，其可用动态范围为-14dB～46dB，再配合对光电探测器偏压控制，完全能够控制动态范围为70dB的脉冲信号。图3所示为本发明的可变增益控制模块原理图，AX为光电二极管放大器OPA656的电压输出端和可变增益AD8336的信号输入端，AOUT为可变增益AD8336的输出端，通过增益控制电压Vp和Vn来控制其增益，得到想要的电压脉冲信号。
峰值保持模块主要由跨阻放大器、肖特基二极管、低ESR的保持电容以及高速开关管等元件组成。具体来说峰值保持模块包括用于接收第一缓冲放大器或可变增益控制模块输出的Vin电压脉冲信号的跨阻放大器D，跨阻放大器D输出电压Vout的输出端用于连接采样电路，跨阻放大器D对电压脉冲信号Vin和输出电压Vout之间的压差进行放大，跨阻放大器D输出的电流通过肖特基二极管Z对保持电容C4进行充电；肖特基二极管Z的阳极和阴极分别连接跨阻放大器D的电流输出端C和其缓冲输入端IN。肖特基二极管Z的阴极还通过保持时间控制电路连接控制器，保持时间控制电路包括高速开关管Q和保持电容C4，肖特基二极管Z的阴极连接保持电容C4的一端，保持电容C4的另一端接地；高速开关管Q的集电极通过电阻R8连接保持电容C4，高速开关管Q的基极通过电阻R5连接控制器接收控制信号Discharge，高速开关管Q的发射极接地，高速开关管的基极和发射极之间还设有电阻R7。跨阻放大器D的信号接收端B用于接收电压脉冲信号Vin，信号接收端B连接有高通滤波电路。高通滤波电路包括电容C3和电阻R5。跨阻放大器D的电压输出端OUT用于输出电压信号Vout，电压输出端OUT与反向输入端E连接形成反馈回路。跨阻放大器D的静态电流调整端IQAdj通过带宽控制电路连接-5V供电电源负极端。带宽控制电路包括带宽配置电阻R9。
跨阻放大器D的连接于-5V供电电源负极输入端的引脚V-还连接有电容C5，跨阻放大器D的连接于+5V供电电源正极输入端的引脚V+还连接有电容C6。电容C5和电容C6的电容值为0.01uF。
电压脉冲信号Vin经过电容C3与电阻R5高通滤波隔直后送入跨阻放大器，跨阻放大器对输入电压和输出电压之间的电压差进行放大，其输出的电流信号经过电流输出引脚IN为保持电容C4充电，保持电容C4连接于电流输出引脚IN的一端通过肖特肖特基二极管Z和电阻R6连接电压端；当输出电压小于输入电压，则跨阻放大器输出的电流信号通过肖特基二极管Z对保持电容C4充电，若输出电压大于输入电压，则肖特基二极管Z不导通，保持电容C4上的电压维持不变，保持电压脉冲信号峰值。图4是本发明的峰值保持模块原理图：电压脉冲峰值保持时间通过保持电容C4和高速开关管Q1来控制，增大保持电容容值，利于增加峰值保持时长，但因电压脉冲充电时间较短又难以达到原有的峰值高度，峰值存在一定的降落；相反，降低保持电容值，利于峰值保持的精度，但会降低保持时长；因此需要选取合适的保持电容值。峰值保持模块还包括保持时间控制电路，保持时间控制电路包括保持电容C4和高速开关管Q，高速开关管Q的集电极通过电阻R8连接跨阻放大器的电流输出引脚IN，基极通过电阻R5连接处理器的输出端，发射极接地。高速开关管Q的功能是精确控制峰值保持时间并实现峰值快速放电。电压脉冲信号到来时刻会产生同步触发脉冲送入DSP处理器，DSP处理器通过定时器定时输出一个Discharge控制信号来控制峰值保持时间，当Discharge为高电平时，高速开关管Q导通，保持电容C4通过R8放电，保证在下一个电压脉冲周期到来之前峰值能够放电完成。本实施例中高速开关管Q的型号为BT2222，肖特基二极管Z的型号为BAR18。
本发明所述的光电探测器包括APD光电探测器或PIN光电探测器，当APD或PIN光电探测器接收到激光能量后，输出电流脉冲信号，为了便于后级处理首先要通过前置放大模块进行I/V转换，将电流脉冲信号变成电压脉冲信号；由于电压脉冲信号的动态范围理论上高达70dB，当光电探测器接收到的激光能量很微弱时，得到的电压脉冲信号会很小，甚至淹没在噪声之中，此时就需要可变增益控制模块对电压脉冲信号进行提取放大，并经过峰值保持模块处理，然后送入A/D转换器进行有效采样；针对APD光电探测器在微弱能量下输出脉冲信号宽度较窄，而且随动激光目标探测***由于伺服电机驱动而存在噪声干扰，设计一种脉冲信号的峰值保持模块，可使峰值保持时间延迟到数十us，便于连续采样以及数据软件滤波算法处理，有利于提高探测精确性；峰值保持模块输出的信号经过第二缓冲放大器后，直接送入同步采样A/D转换器进行单周期多次连续采样，用于目标角度值解算；电压脉冲信号在经过可变增益控制模块及第一缓冲放大器后，进入同步触发信号产生模块，产生同步触发信号送入DSP处理器外部中断，用于A/D采样控制以及码型识别；最后将得到的目标角度解算值通过CAN通信发送给中控计算机。此外，D/A转换器分别为可变增益控制模块、同步触发信号产生模块以及线性可调高压电源模块提供增益控制电压、基准电压和控制电压。而通过控制线性可调高压电源模块来控制光电探测器的响应度，配合可变增益控制模块完成整个***的增益控制。
针对APD光电探测器在微弱能量下输出脉冲信号宽度较窄，而且随动激光目标探测***由于伺服电机驱动而存在噪声干扰，设计一种脉冲信号的峰值保持模块，可使峰值保持时间延迟到数十us，便于连续采样以及数据软件滤波算法处理，能够使导引头测量目标方位或俯仰角度的稳定性与精确性得到很大改善，有利于提高探测精确性。峰值保持模块主要由跨阻放大器、肖特基二极管、低ESR的保持电容以及高速开关管等元件组成。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电探测器的信号处理***，光电探测器输出的电流脉冲信号通过前置放大模块转换成电压脉冲信号，其特征在于：可变增益控制模块接收所述电压脉冲信号进行提取放大后由峰值保持模块对所述可变增益控制模块输出的信号峰值保持时间进行延迟，然后A/D转换器对所述峰值保持模块输出的信号进行采样，处理器接收所述A/D转换器输出的并口及控制信号并进行目标角度值解算，所述处理器将计算结果通过收发器发送至中控计算机。
2.根据权利要求1所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后输送至所述峰值保持模块，所述峰值保持模块于所述A/D转换器之间还设有第二缓冲放大器。
3.根据权利要求2所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述可变增益控制模块输出的信号经第一缓冲放大器放大之后还输送至同步触发信号产生模块，所述同步触发信号产生模块产生同步触发信号并输送至所述处理器，用于对A/D转换器的采样进行控制，并进行码型识别。
4.根据权利要求3所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述处理器的串行外设接口连接有D/A转换器的信号输入端，所述D/A转换器分别向可变增益控制模块和同步触发信号产生模块提供增益控制电压和基准电压。
5.根据权利要求4所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述D/A转换器输出控制电压到线性可调高压电源模块，所述线性可调高压电源模块输出偏压控制信号到所述光电探测器。
6.根据权利要求1所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述光电探测器包括APD光电探测器和PIN光电探测器。
7.根据权利要求1所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述前置放大模块包括光电二极管放大器OPA656，所述光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端通过电容C1连接光电探测器的输出端，所述光电二极管放大器OPA656的电压输出端用于连接所述可变增益控制模块，所述光电二极管放大器OPA656的电压输入负极端与电压输出端之间设有反馈环路，所述反馈环路包括并联的电阻R2和电容C2；所述光电探测器的输出端连接电阻R1的一端，所述电阻R1另一端接地，所述前置放大模块通过所述电阻R1将所述光电探测器输出的电流脉冲信号转换成电压脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述可变增益控制模块包括可变增益放大器AD8336，所述可变增益放大器AD8336的信号输入端INPN和所述可变增益放大器AD8336的控制端Vp连接所述前置放大模块的信号输出端，所述可变增益放大器AD8336的信号输出端用于连接所述峰值保持模块；所述可变增益控制模块还包括连接于所述可变增益放大器AD8336的放大倍数配置电路和滤波电路。
9.根据权利要求2所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述峰值保持模块包括用于接收所述第一缓冲放大器或可变增益控制模块输出的Vin电压脉冲信号的跨阻放大器D，所述跨阻放大器D输出电压Vout的输出端用于连接采样电路，所述跨阻放大器D对电压脉冲信号Vin和输出电压Vout之间的压差进行放大，所述跨阻放大器D输出的电流通过肖特基二极管Z对保持电容C4进行充电；所述肖特基二极管Z的阳极和阴极分别连接所述跨阻放大器D的电流输出端C和缓冲输入端IN。
10.根据权利要求9所述的一种光电探测器的信号处理***，其特征在于：所述肖特基二极管Z的阴极还通过保持时间控制电路连接控制器，所述保持时间控制电路包括高速开关管Q和所述保持电容C4，所述肖特基二极管Z的阴极连接所述保持电容C4的一端，所述保持电容C4的另一端接地；所述高速开关管Q的集电极通过电阻R8连接所述保持电容C4，所述高速开关管Q的基极通过电阻R5连接所述控制器接收控制信号Discharge，所述高速开关管Q的发射极接地，所述高速开关管的基极和发射极之间还设有电阻R7。
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