基于背景噪聲消除的光電二極管電路及激光測距系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于背景噪聲消除的光電二極管電路及激光測距系統(tǒng)，本發(fā)明提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其包括光電二極管跨導(dǎo)放大模塊、運(yùn)放積分器模塊、濾波模塊，所述濾波模塊接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸出端以及所述運(yùn)放積分器模塊的輸入端，所述運(yùn)放積分器模塊的輸出端接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端。本發(fā)明中運(yùn)放積分器模塊可以僅使用運(yùn)算放大器、電容和電阻，濾波電路可以僅使用電容和電阻，整個(gè)電路沒有使用數(shù)字元件，不會帶來額外噪聲，可以很大程度提高電路的信噪比，增大測距范圍；同時(shí)由于只使用到運(yùn)算放大器、電阻和電容，成本相對現(xiàn)有技術(shù)降低了許多，而且整體電路面積也大大減少，從而有利于產(chǎn)品的小型化。
【專利說明】基于背景噪聲消除的光電二極管電路及激光測距系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電二極管應(yīng)用電路領(lǐng)域，具體涉及一種能夠消除背景噪聲的光電二 極管電路，W及應(yīng)用該二極管電路的激光測距系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 光電二極管電路廣泛應(yīng)用于激光測距、安檢設(shè)備、運(yùn)動控制、分析儀器、生物醫(yī)療、 光通信、軍事、航空航天、光通訊等領(lǐng)域。其中，在脈沖式激光測距領(lǐng)域普遍采用的光電二極 管電路包括光電二極管跨導(dǎo)放大電路，如圖1所示，最基本的光電二極管跨導(dǎo)放大電路主 要包括運(yùn)算放大器U11、光電二極管LDl和電阻RllW及電容C11。但是該種電路輸出會有 一個(gè)直流偏置，如圖2所示，該個(gè)直流偏置也即是背景噪聲，它是由同波長的自然光（背景 光）、光電二極管暗電流和跨導(dǎo)放大器的輸入偏置電流造成的。由于激光測距系統(tǒng)中基于飛 行時(shí)間的判決電平往往很低（200mV左右），該個(gè)直流偏置會影響判決電平，因此在實(shí)際的 測距系統(tǒng)中，需要把該個(gè)背景噪聲消除掉，讓沒有脈沖信號的時(shí)候，光電二極管跨導(dǎo)放大電 路的輸出為0。
[0003]目前應(yīng)用最多的能夠消除背景噪聲的光電二極管電路如圖3所示，該電路在基本 的光電二極管跨導(dǎo)放大電路的基礎(chǔ)上增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)、單片機(jī) (MCU)、緩沖器炬UFFER)W及電阻R12等元件，其原理是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集光電二極管跨 導(dǎo)放大電路的輸出電壓并傳送至單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行濾波等算法之后把需要補(bǔ)償?shù)碾?壓數(shù)值送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后輸出給光電二極管跨導(dǎo)放大電路的輸入，從而達(dá)到光電二極 管跨導(dǎo)放大電路的輸出電壓調(diào)零的目的。
[0004] 但是，現(xiàn)有技術(shù)的該種電路存在W下缺點(diǎn)：
[0005] 1、由于使用了數(shù)字元件（單片機(jī)），導(dǎo)致額外加入了噪聲，會使光電二極管的測距 范圍變小，從而會使測距的距離顯著得變短；
[0006] 2、加入了較多額外的元件，導(dǎo)致成本比較高；
[0007] 3、整體電路的面積比較大，不利于產(chǎn)品的小型化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)使用的光電二極管電路中存在的額外加入噪聲導(dǎo)致測距范 圍變小、元件較多導(dǎo)致成本較高、整體電路面積較大導(dǎo)致不利于產(chǎn)品小型化等技術(shù)問題，提 出一種能夠顯著降低噪聲、成本較低、整體電路面積較小的基于背景噪聲消除的光電二極 管電路。
[0009] 本發(fā)明提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其包括光電二極管跨導(dǎo) 放大模塊、運(yùn)放積分器模塊、濾波模塊，所述濾波模塊接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的 輸出端W及所述運(yùn)放積分器模塊的輸入端，所述運(yùn)放積分器模塊的輸出端接于所述光電二 極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端。
[0010] 具體的，所述運(yùn)放積分器模塊包括第一運(yùn)算放大器、第一電容、第一電阻和第二電 阻；所述第一電容接于所述第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間；所述第一電阻一 端接于所述第一運(yùn)算放大器的反相輸入端，另一端接地；所述第二電阻一端接于所述第一 運(yùn)算放大器的的輸出端，另一端接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端；所述第一運(yùn) 算放大器的同相輸入端接于所述濾波模塊的輸出端。
[0011] 具體的，所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊包括光電二極管、第二運(yùn)算放大器、第H電 阻和第二電容；所述光電二極管的陰極接入偏置電壓，陽極接于所述第二運(yùn)算放大器的反 相輸入端；所述第H電阻和第二電容并聯(lián)后接于所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出 端之間；所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端還與所述第二電阻相接，輸出端還與所述濾波 板塊的相接。
[0012] 具體的，所述濾波模塊包括第H電容和第四電阻；所述第H電容一端接地，另一端 分別與所述第一運(yùn)算放大器的同相輸入端、W及所述第四電阻的一端相接，所述第四電阻 的另一端與所述第二運(yùn)算放大器的輸出端相接。
[0013] 具體的，所述光電二極管為雪崩光電二極管。
[0014] 相應(yīng)的，本發(fā)明相應(yīng)提出了一種激光測距系統(tǒng)，其包括上述任一基于背景噪聲消 除的光電二極管電路。
[0015] 有益效果；本發(fā)明提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其采用了運(yùn) 放積分器模塊，能夠?qū)怆姸O管跨導(dǎo)放大模塊輸出的直流偏置進(jìn)行積分，并送回給光電 二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端，W達(dá)到消除直流偏置的目的。同時(shí)，本發(fā)明中的濾波模塊可 W濾除掉光電二極管跨導(dǎo)放大模塊輸出端的高頻噪聲（高頻噪聲主要是脈沖信號本身）， 從而使運(yùn)放積分器不受該高頻噪聲的影響。
[0016] 本發(fā)明中運(yùn)放積分器模塊可W僅使用運(yùn)算放大器、電容和電阻，濾波電路可W僅 使用電容和電阻，整個(gè)電路沒有使用數(shù)字元件，不會帶來額外噪聲，可W很大程度提高電路 的信噪比，增大測距范圍；同時(shí)由于只使用到運(yùn)算放大器、電阻和電容，成本相對現(xiàn)有技術(shù) 降低了許多，而且整體電路面積也大大減少，從而有利于產(chǎn)品的小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中基本的光電二極管跨導(dǎo)放大電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中光電二極管跨導(dǎo)放大電路的輸出存在背景噪聲時(shí)W及不存在 背景噪聲時(shí)的波形比較圖。
[0019] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中使用的能夠消除背景噪聲的光電二極管電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0021] 圖5是基于圖4的電路結(jié)構(gòu)的MTLAB仿真結(jié)果示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，下面將結(jié)合附圖W及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 描述。
[0023] 請參閱圖4,本發(fā)明提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路實(shí)施例，其包 括光電二極管跨導(dǎo)放大模塊、運(yùn)放積分器模塊、濾波模塊，所述濾波模塊接于所述光電二極 管跨導(dǎo)放大模塊的輸出端W及所述運(yùn)放積分器模塊的輸入端，所述運(yùn)放積分器模塊的輸出 端接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端。
[0024]本實(shí)施例提出的一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其采用了運(yùn)放積分器 模塊，能夠?qū)怆姸O管跨導(dǎo)放大模塊輸出的直流偏置進(jìn)行積分，并送回給光電二極管跨 導(dǎo)放大模塊的輸入端，W達(dá)到消除直流偏置的目的。同時(shí)，本實(shí)施例中的濾波模塊可W濾除 掉光電二極管跨導(dǎo)放大模塊輸出端的高頻噪聲（高頻噪聲主要是脈沖信號本身），從而使 運(yùn)放積分器不受該高頻噪聲的影響。
[00巧]本實(shí)施例中運(yùn)放積分器模塊可W僅使用運(yùn)算放大器、電容和電阻，濾波電路可W僅使用電容和電阻，整個(gè)電路沒有使用數(shù)字元件，不會帶來額外噪聲，可W很大程度提高電 路的信噪比，增大測距范圍；同時(shí)由于只使用到運(yùn)算放大器、電阻和電容，成本相對現(xiàn)有技 術(shù)降低了許多，而且整體電路面積也大大減少，從而有利于產(chǎn)品的小型化。
[0026]為了更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的目的，本實(shí)施例針對所述運(yùn)放積分器模塊做了優(yōu)化設(shè) 計(jì)，具體的，所述運(yùn)放積分器模塊包括第一運(yùn)算放大器U1、第一電容CU第一電阻Rl和第二 電阻R2 ;所述第一電容Cl接于所述第一運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間；所述 第一電阻Rl-端接于所述第一運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端，另一端接地；所述第二電阻 R2 -端接于所述第一運(yùn)算放大器Ul的的輸出端，另一端接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模 塊的輸入端；所述第一運(yùn)算放大器Ul的同相輸入端接于所述濾波模塊的輸出端。
[0027] 本實(shí)施例中，所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊可W是最基本的光電二極管跨導(dǎo)放大 電路，具體的，其包括光電二極管LD、第二運(yùn)算放大器U2、第H電阻R3和第二電容C2 ;所述 光電二極管LD的陰極接入偏置電壓，陽極接于所述第二運(yùn)算放大器U2的反相輸入端；所述 第H電阻R3和第二電容C2并聯(lián)后接于所述第二運(yùn)算放大器U2的反相輸入端和輸出端之 間；所述第二運(yùn)算放大器U2的反相輸入端還與所述第二電阻R2相接，輸出端還與所述濾波 板塊的相接。
[0028]為了進(jìn)一步更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的目的，本實(shí)施例中所述濾波模塊可W是普通的RC低通濾波器，具體的，本實(shí)施例的濾波模塊包括第H電容C3和第四電阻R4 ;所述第H電 容C3-端接地，另一端分別與所述第一運(yùn)算放大器Ul的同相輸入端、W及所述第四電阻R4 的一端相接，所述第四電阻R4的另一端與所述第二運(yùn)算放大器U2的輸出端相接。
[0029] 本實(shí)施例中，所述光電二極管LD可W是雪崩光電二極管。
[0030] 基于上述運(yùn)放積分器模塊、光電二極管跨導(dǎo)放大模塊W及濾波模塊的具體電路結(jié) 構(gòu)，W下進(jìn)行電路分析，W進(jìn)一步詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例目的的過程。
[0031]請繼續(xù)參閱圖4,本實(shí)施例中，將第一運(yùn)算放大器Ul和第二運(yùn)算放大器U2當(dāng)作理 想的運(yùn)算放大器。由于使用了電容該種儲能元件，故W下采用S域分析方法，大寫的變量均 代表S域函數(shù)，小寫的變量均為實(shí)數(shù)，電阻和電容符號均代表實(shí)數(shù)。
[0032]為了簡化計(jì)算，第二電容C2(濾波電容）不計(jì)入推導(dǎo)。第一電容Cl(積分電容） 在推導(dǎo)中簡化為C，第一電阻RU第二電阻R2、第H電阻R3和第四電阻R4的阻值分別記為 馬、尺2、尺3和尺4，貝1]:
[0033] 光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸出電壓V。為：
[0034] V。=-Ii?Rs
[00巧]流過第一電容Cl的電流等于流過第一電阻Rl的電流，該電流Ii為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其特征在于，包括光電二極管跨導(dǎo)放大 模塊、運(yùn)放積分器模塊、濾波模塊，所述濾波模塊接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸出 端以及所述運(yùn)放積分器模塊的輸入端，所述運(yùn)放積分器模塊的輸出端接于所述光電二極管 跨導(dǎo)放大模塊的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其特征在于，所述運(yùn) 放積分器模塊包括第一運(yùn)算放大器、第一電容、第一電阻和第二電阻；所述第一電容接于所 述第一運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間；所述第一電阻一端接于所述第一運(yùn)算放大 器的反相輸入端，另一端接地；所述第二電阻一端接于所述第一運(yùn)算放大器的的輸出端，另 一端接于所述光電二極管跨導(dǎo)放大模塊的輸入端；所述第一運(yùn)算放大器的同相輸入端接于 所述濾波模塊的輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其特征在于，所述光 電二極管跨導(dǎo)放大模塊包括光電二極管、第二運(yùn)算放大器、第三電阻和第二電容；所述光電 二極管的陰極接入偏置電壓，陽極接于所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端；所述第三電阻 和第二電容并聯(lián)后接于所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間；所述第二運(yùn)算放 大器的反相輸入端還與所述第二電阻相接，輸出端還與所述濾波模塊的相接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其特征在于，所述濾 波模塊包括第三電容和第四電阻；所述第三電容一端接地，另一端分別與所述第一運(yùn)算放 大器的同相輸入端、以及所述第四電阻的一端相接，所述第四電阻的另一端與所述第二運(yùn) 算放大器的輸出端相接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于背景噪聲消除的光電二極管電路，其特征在于，所述光 電二極管為雪崩光電二極管。
6. -種激光測距系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的基于背景噪聲消 除的光電二極管電路。
【文檔編號】G01C3/02GK104359455SQ201410728279
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】張石, 魯佶 申請人:張石