基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器的制作方法

本发明属于脉冲激光测距设备技术领域，特别是一种时间晃动误差小、测距精度高的基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器。

背景技术：

当今社会，随着国民经济的快速发展，汽车的保有量急剧上升，汽车行驶的安全问题也越来越受到重视，因而围绕智能交通的周边研究开始盛行。测距系统就在智能交通系统中发挥着重要的作用，无论是倒车雷达控制，还是前置防撞系统，都需精确测距。脉冲式激光采用激光器作为光源，以激光作为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波脉冲之间的时间差来测量距离，为了探测激光回波脉冲的到达时刻，一般采用时刻鉴别电路。但在实际情况下，激光回波信号在传输过程中容易受到空气中的烟雾、灰尘、水汽等物体的干扰而发生衰减，导致回波波形产生不同程度的畸变和展宽，主要表现为时间晃动，以至于每次鉴别出的时刻会产生不同的差异。同时回波波形和所探测的目标特性有关，即使是同一目标，同一距离，目标和光路的夹角不同，回波的强度也不相同，导致经过光电转换后的电信号幅度随回波的强度变化而变化，不同幅度经过时刻鉴别电路之后在输出时间上产生差异造成时间抖动。

目前主要的时刻鉴别方法包括固定阈值时刻鉴别和双通道时刻鉴别。

固定阈值时刻鉴别电路通过比较激光回波脉冲信号与某一给定阈值的电压大小输出激光回波到达时刻，虽然电路简单，但受幅度时间游动和干扰所引起的时间抖动影响明显。

现有双通道时刻鉴别器如中国发明专利“一种双通道时刻鉴别器”(申请号：201510200729.8，公开日：2016.11.23)，其包括阈值比较器、高速比较器、延迟电路、衰减电路、门电路。其电路框图如图1所示。上述时刻鉴别器存在的问题包括：1、电路复杂；2、虽然双通道时刻鉴别有效地解决了幅度时间游动，却未曾解决噪声干扰引起的时间抖动。而在测量远距离目标时，回波脉冲往往很弱、信噪比低、由干扰所引起的时间抖动影响明显、时刻鉴别精度降低。

因此，现有技术存在的问题是：由于时刻鉴别器因噪声干扰引起时间晃动误差大，导致脉冲激光测距设备在测量远距离目标时测距精度低；同时存在温度漂移。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器，噪声干扰抑制好、温度漂移小，时刻鉴别精度高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器，包括依次串联的差分放大电路1和电压比较电路2，所述差分放大电路1的输入端与脉冲输入信号vt(t)相连，其输出端与电压比较电路2的输入端相连，所述电压比较电路2的输出端输出数字电平信号v0(t)。

优选地，

所述差分放大电路1包括差分放大芯片u2、输入电阻ri1、第一分压电阻rfb1、第二分压电阻rfb2、第一接地电阻ri2、第二接地电阻电阻rs1、第一滤波电容cb5、第二滤波电容cocm、第三滤波电容cb6、第四滤波电容cb7；所述差分放大芯片u2的2号端口通过输入电阻ri1与脉冲输入信号vt(t)相连，其1号端口通过第一分压电阻rfb1与2号端口相连，所述差分放大芯片u2的3、4号端口相连后，接在5v电源与相第一滤波电容cb5之间，所述第一滤波电容cb5的另一端接地，所述差分放大芯片u2的5号端口通过第二滤波电容cocm接地，其6号端口通过串联的第一接地电阻ri2和第二接地电阻电阻rs1接地，所述差分放大芯片u2的6号端口还通过第二分压电阻rfb2与其7号端口相连，所述差分放大芯片u2的8号端口一方面直接接地，另一方面通过第四滤波电容cb7与差分放大芯片u2的9号端口相连，所述差分放大芯片u2的9号端口一方面与5v电源相连，另一方面还通过第三滤波电容cb6与差分放大芯片u2的10号端口相连，所述差分放大芯片u2的10号端口还直接接地；所述差分放大芯片u2的1号端口还作为输出负端-out，其7号端口还作为输出正端+out，分别与电压比较电路2相连。

优选地，

所述电压比较电路2包括电压比较芯片u3、第一至第六电阻r1、r2、r3、r5、r6、第三滤波电容c3；所述电压比较芯片u3的1号端口通过第五电阻r5与差分放大芯片u2的7号端口输出正端+out相连，电压比较芯片u3的2号端口通过第二电阻r2与差分放大芯片u2的1号端口输出负端-out相连；所述电压比较芯片u3的3、4号端口相连后接地，5号端口直接接地；所述电压比较芯片u3的6号端口一方面通过第一电阻r1与其1号端口相连，另一方面通过输出电阻ro+输出数字电平信号v0(t)；所述电压比较芯片u3的7号端口通过第六电阻r6与其2号端口相连；所述电压比较芯片u3的8号端口一方面通过第三电阻r3与5v电源相连，另一方面通过第三滤波电容c3接地。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、噪声干扰抑制好：当采用差分信号时，干扰噪声等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为零，很好地抑制了噪声干扰。

2、温度漂移小：电路参数的对称性正是由于电路参数的理想对称性，起到了互相补偿的作用，当温度变化时，管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号，从而抑制了温度漂移，从而更加可靠、稳定。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术双通道时刻鉴别器的原理框图。

图2为本发明基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器的电路图。

图3为本发明基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器的输入-输出曲线。

具体实施方式

如图2所示，本发明基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器，包括依次串联的差分放大电路1和电压比较电路2，所述差分放大电路1的输入端与脉冲输入信号vt(t)相连，其输出端与电压比较电路2的输入端相连，所述电压比较电路2的输出端输出数字电平信号v0(t)。

如图2中左侧部分所示，

所述差分放大电路1包括差分放大芯片u2、输入电阻ri1、第一分压电阻rfb1、第二分压电阻rfb2、第一接地电阻ri2、第二接地电阻电阻rs1、第一滤波电容cb5、第二滤波电容cocm、第三滤波电容cb6、第四滤波电容cb7；

所述差分放大芯片u2的2号端口通过输入电阻ri1与脉冲输入信号vt(t)相连，其1号端口通过第一分压电阻rfb1与2号端口相连，

所述差分放大芯片u2的3、4号端口相连后，接在5v电源与相第一滤波电容cb5之间，所述第一滤波电容cb5的另一端接地，

所述差分放大芯片u2的5号端口通过第二滤波电容cocm接地，其6号端口通过串联的第一接地电阻ri2和第二接地电阻电阻rs1接地，所述差分放大芯片u2的6号端口还通过第二分压电阻rfb2与其7号端口相连，

所述差分放大芯片u2的8号端口一方面直接接地，另一方面通过第四滤波电容cb7与差分放大芯片u2的9号端口相连，所述差分放大芯片u2的9号端口一方面与5v电源相连，另一方面还通过第三滤波电容cb6与差分放大芯片u2的10号端口相连，所述差分放大芯片u2的10号端口还直接接地；

所述差分放大芯片u2的1号端口还作为输出负端-out，其7号端口还作为输出正端+out，分别与电压比较电路2相连。

如图2所示，

所述差分放大芯片u2的2号端口为输入正端+in，6号端口为输入负端-in，1号端口为输出负端-outn，7号端口为输出正端+out，3号端口shdn与5v电源相连使差分放大芯片u2处于正常有源工作模式，4号端口v+、9号端口v+为正电源引脚，8号端口v-、10号端口v+为负电源引脚，5号端口vocm输出共模基准电压，11号端口v-为裸露衬垫。

优选地，

所述差分放大芯片u2为ltc6409。

作为优选，

所述输入电阻ri1阻值为25欧姆，第一分压电阻rfb1阻值为10k欧姆，第二分压电阻rfb2阻值为10k欧姆，第一接地电阻ri2阻值为25欧姆，第二接地电阻电阻rs1阻值为68欧姆，

第一、二滤波电容cb5、cocm容量为0.1uf或1nf，第三、四滤波电容cb6、cb7容量为0.1uf或1nf。

如图2中右侧部分所示，

所述电压比较电路2包括电压比较芯片u3、第一至第六电阻r1、r2、r3、r5、r6、第三滤波电容c3；

所述电压比较芯片u3的1号端口通过第五电阻r5与差分放大芯片u2的7号端口输出正端+out相连，电压比较芯片u3的2号端口通过第二电阻r2与差分放大芯片u2的1号端口输出负端-out相连；

所述电压比较芯片u3的3、4号端口相连后接地，5号端口直接接地；

所述电压比较芯片u3的6号端口一方面通过第一电阻r1与其1号端口相连，另一方面通过输出电阻ro+输出数字电平信号v0(t)；

所述电压比较芯片u3的7号端口通过第六电阻r6与其2号端口相连；

所述电压比较芯片u3的8号端口一方面通过第三电阻r3与5v电源相连，另一方面通过第三滤波电容c3接地。

如图2所示，

所述电压比较芯片u3的1号端口为、3号端口为差分信号的正接收端ina+、inb+，2号端口与4号端口为差分信号的负接收端ina-、inb-，5号端口为接地端gnd，电压比较芯片u3的6端口与7端口均为数字电平信号的输出端口qb、qa，8端口为通电端口vcc。

优选地，

所述电压比较芯片u3为max961esa。

作为优选，

所述第一、六电阻r1、r6的阻值均为10k欧姆，第二、三、五电阻r2、r3、r5的阻值均为50欧姆，第三滤波电容c3容量为0.1uf。

图3为本发明基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器的输入-输出曲线。

下面结合图2和图3，详细说明本发明基于差分信号的脉冲激光测距时刻鉴别器的工作过程：

脉冲激光的回波信号经过光电器件转换、放大电路后的脉冲输入信号vt(t)通过差分放大器ltc6409，然后把电压信号转换成两个振幅相等，相位相同，极性相反的差分信号out_n和out_p。输出的差分信号out_n和out_p通过超高速比较器max961esa将模拟脉冲信号转化成数字信号vo(t)。其中电阻rs1为输入补偿电阻，调节电阻rs1的阻值可以使直流共模电压发生变化。外加反馈电阻r1、r2、r5、r6可以增加电路的迟滞，并避免电路的振荡现象。

信号经差分放大器后输出差分电压信号，分别为v+和v-。通过调节差分信号上的阻抗使得直流共模电压发生变化，差分信号直流轨分开并有一定的差值，差值约为50mv。因为如果不把直流轨分开，输入信号会因为噪声的存在而使输出信号一直在数字信号0和1之间来回跳变。之后该差分电压信号进入迟滞比较器，迟滞比较器的输出数字电压v0(t)只有两种状态，高电平voh和低电平vol。在差分信号线的曲线交叉点以前，v+小于v-。若v0(t)当前为低电平vol，则当曲线v+的上升沿大于vth1值时。输出数字信号v0(t)由低电平vol跳变至高电平voh。之后输出的数字信号一直保持高电平状态，直到曲线v+的下降沿小于vth2值时，输出的数字信号v0(t)才会由高电平跳变成为低电平。因为电压比较阈值的取值是由差分信号线某一时刻两条曲线相对值决定的，所以当有外加噪声或者抖动影响电路时，由于差分信号线是两条幅度相等、相位相同、极性相反的曲线，所以外加的干扰会同时在家两条曲线上，阈值保持不变，电路还是处于原来的电平状态。所以差分信号时刻鉴别电路的噪声干扰抑制效果好。

当采用差分信号时，因为干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上，而其差值为零，所以可以很好的抑制噪声干扰。同时，从差分放大电路的组成分析可知，电路参数的对称性起了互相补偿的作用，正是由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号，从而抑制了温度漂移，更加可靠、稳定。