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【发明授权】基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法及实现电路_探维科技(北京)有限公司_201710590027.4 

申请/专利权人:探维科技(北京)有限公司

申请日:2017-07-19

公开(公告)日:2021-04-23

公开(公告)号:CN107276569B

主分类号:H03K5/1532(20060101)

分类号:H03K5/1532(20060101);H03K5/04(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.04.23#授权;2018.07.13#专利申请权的转移;2017.11.17#实质审查的生效;2017.10.20#公开

摘要:本发明涉及一种基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法及实现电路,其特征在于包括以下内容:1对被测纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽;2对展宽的脉冲信号进行幅值放大;3采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加;4对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息。本发明在窄脉冲峰值保持原理的基础上采用多个经过展宽和放大的信号对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,这样等效于放大了被测纳秒级窄脉冲的能量,而又避免了回波的噪声,解决了纳秒级脉冲展宽不足与信噪比太低的问题,可以广泛应用于纳秒级窄脉冲的峰值保持。

主权项:1.一种基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于包括以下内容:1)对被测纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽;2)对展宽的脉冲信号进行幅值放大;3)采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加;4)对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息。

全文数据:基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法及实现电路技术领域[0001]本发明是关于一种基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法及实现电路,涉及激光测距技术领域。背景技术[0002]基于飞行时间法的脉冲式激光测距系统或三维激光雷达系统的激光脉冲通常只有几纳秒,获取回波脉冲的强度信息是进行可控增益放大、获取目标灰度信息的必要前提。[0003]现有技术公开的直接获取纳秒级短脉冲峰值强度的方法是采用带宽为GHz级别的高速模拟数字转换器AD对回波脉冲进行采样,然而GHz级别高速模拟数字转换芯片价格昂贵且相应的数字处理电路设计复杂。现有技术公开的另一种间接方法是采用峰值保持电路将短脉冲信号的峰值电压保持为一个直流电压,在峰值电压保持期间,用低速模拟数字转换器对该恒定电平进行采样,然而由于纳秒级窄脉冲携带能量较少,一般无法对峰值保持电路中的储能电容进行有效充电。对纳秒级短脉冲进行放大,可以增加脉冲携带的能量,但是对放大链路的增益带宽积要求较高,而且会引入额外的噪声,并造成后级峰值保持电路不稳定。因此,传统的峰值保持电路对于纳秒级短脉冲并不适用。发明内容[0004]针对上述问题,本发明的目的是提供一种能够提高信噪比且能够使得后级峰值保持电路稳定的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法及实现电路。[0005]为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于包括以下内容:1对被测纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽;2对展宽的脉冲信号进行幅值放大;3采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加;4对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息。[0006]进一步地,所述步骤1脉冲展宽采用基于传统的RC低频滤波电路或基于运算放大器的低频滤波电路进行实现。[0007]进一步地,所述步骤2幅值放大采用电压反馈放大器进行实现,使放大后的脉冲峰值与被测纳秒级窄脉冲峰值相同。[0008]进一步地,所述步骤3采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电具体为:逐渐增加进行脉冲峰值保持的脉冲个数,当峰值保持输出直流电压与被测纳秒级窄脉冲峰值相同为止。[0009]进一步地,所述步骤4对多次峰值保持后的波形进行幅值采样采用数模转换器件。[0010]为实现上述目的,本发明还米取以下技术方案:一种基于多次脉冲峰值保持的实现电路,其特征在于,该实现电路包括短脉冲展宽电路和脉冲峰值保持电路;所述短脉冲展宽电路包括运算放大器U1A和运算放大器U1B,被测纳秒级窄脉冲波形由电阻R1与电阻R2相连接的一端输入,所述电阻R1的另一端与地相连;所述电阻R2的另一端与电容C1的一端相连,所述电容C1的另一端与地相连;所述电阻R2与所述电容C1相连的一端与电阻R3的一端相连,所述电阻R3的另一端与所述运算放大器U1A的反向输入端相连,所述运算放大器U1A的正向输入端与地相连,所述运算放大器U1A的反向输入端并联连接电阻R4与电容C2的一端,所述电阻R4、电容C2的另一端以及运算放大器U1A的输出端并连接电阻R5的一端,所述电阻R5的另一端连接所述运算放大器U1B的反向输入端,所述运算放大器U1B的正向输入端与地相连,电阻R6跨接于所述运算放大器U1B的反向输入端与输出端,所述运算放大器U1B的输出端为所述短脉冲展宽电路的输出;其中,所述运算放大器U1A和运算放大器U1B的VCC和VEE分别连接正电源和负电源;所述脉冲峰值保持电路包括数控模拟开关U2、运算放大器U3A和运算放大器U3©;所述运算放大器U1B的输出端与所述运算放大器U3A的正向输入端相连;所述运算放大器U3A的输出端与二极管D1的正级相连,所述二级管D1的负极与储能电容C3的一端相连,所述储能电容C3的另一端与地相连,所述运算放大器的U3A的反向输入端连接二极管D2正极,所述运算放大器U3A的输出端连接所述二极管D2负极,所述运算放大器U3B的正向输入端连接所述二级管D1的负极,所述运算放大器U3B的反向输入端与输出端直接相连,电阻R7的一端连接所述运算放大器U3A的反向输入端,所述电阻R7另一端连接所述运算放大器U3©的反向输入端,所述运算放大器U3B的输出端为所述脉冲峰值保持电路的输出,其中,所述运算放大器U3A和运算放大器U3©的VCC和VEE分别连接正电源和负电源;所述数控模拟开关U2的控制信号输入端与控制开关通断的控制信号相连,所述数控模拟开关U2的GND端与地相连,所述数控模拟开关⑼的VCC端与正电源相连,所述数控模拟开关U2的输入端与所述二极管D1的负极相连,所述数控模拟开关U2的输出端与地相连,所述数控模拟开关U2的输入端与输出端导通时,构成所述储能电容C3的放电回路。[0011]进一步地,所述运算放大器(U1A和运算放大器(U1B均采用增益带宽积大于500MHz的电压反馈运算放大器。[0012]进一步地,运算放大器U3A和运算放大器U3©均采用高输入阻抗运算放大器。[0013]进一步地,所述数控模拟开关U2采用高开关隔离度的数控模拟开关。[0014]本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明在窄脉冲峰值保持原理的基础上采用多个经过展宽和放大的信号对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,这样等效于放大了被测纳秒级窄脉冲的能量,而又避免了回波的噪声,解决了纳秒级脉冲展宽不足与信噪比太低的问题。2、本发明采用单片机自带的8位模拟数字转换器对多次峰值保持后恒定电压进行采样,成本低,数据处理简单。本发明可以广泛应用于纳秒级窄脉冲的峰值保持。附图说明[0015]图1是本发明的短脉冲幅值测量方法原理图及波形变换示意图,其中,虚线上部分为短脉冲峰值测量方法原理,虚线下部分为波形变换示意,用于详细阐述短脉冲峰值测量方法的波形处理过程;[0016]图2是本发明对多个脉冲峰值保持和能量累加的原理示意图;LJ固J乃本友明的基于多次脉冲峰值保持的实现电路原理图。具体实施方式[0018]以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解,附图的提供仅为了更好地理解本发明,它们不应该理解成对本发明的限制。[0019]如图1所示,本发明提供的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,包括以下内容:[0020]1、对被测纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽。[0021]对被测纳秒级窄脉冲进行展宽的目的是增加纳秒级窄脉冲携带的能量,本发明对被测的纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽,使脉冲宽度展宽至被测纳秒级脉冲的100倍左右(以此为例,可以根据实^使用情况进行展宽倍数的确定),此时纳秒级窄脉冲的幅值会相应减小。脉冲展宽可以采用基于传统的RC低频滤波电路或基于运算放大器的低频滤波电路进行实现。[0022]2、对展宽的脉冲信号进行幅值放大。[°023]为了克服展宽引起的脉冲幅值降低问题,需要对展宽后脉冲信号进行幅值放大。幅值放大可以采用增益带宽积较高的电压反馈放大器进行,且放大倍数不宜过大,通常使放大后的脉冲峰值与被测纳秒级窄脉冲峰值相同即可,可以根据实际使用情况进行放大倍数的确定。[0024]3、采用多个经过展宽和放大的信号对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加。[0025]经过上述展宽和放大步骤后的脉冲对峰值保持电路中的储能电容进行充电后,峰值保持电路输出的恒定电压仍然明显低于被测纳秒级窄脉冲峰值。此时,需要采用多个经过展宽和放大的信号对峰值保持电路中的储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加的作用。在实际调试时,可以逐渐增加进行脉冲峰值保持的脉冲个数,当峰值保持电路输出直流电压与被测纳秒级窄脉冲峰值相同为止。通常用于多个脉冲峰值保持的脉冲个数为3至10个,但是不限于此,可以根据实际使用情况进行脉冲峰值保持个数的确定。[0026]4、对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息。[0027]本发明采用数模转换器件对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息,其中,数模转换器件可以采用单片机自带的8位模拟数字转换器对多次峰值保持后恒定电压进行采样。[0028]如图2所示,本发明以三个纳秒级窄脉冲进行峰值保持为具体实施例进行详细说明,在第一个短脉冲峰值测量周期,三个纳秒级窄脉冲分别经过展宽和放大后对峰值保持电路中的储能电容进行充电,储能电容两端的电压达到被测纳秒级窄脉冲的峰值电压后,采用数模转换器件对储能电容电压进行幅值采样,完成幅值采样后对储能电容进行放电操作,等待进入下个短脉冲峰值测量周期。[0029]如图3所示,本发明还提供基于多次脉冲峰值保持的实现电路,包括短脉冲展宽电路和脉冲峰值保持电路。[0030]短脉冲展宽电路采用双运放组成,包括运算放大器U1A和运算放大器U1B,运算放大器U1A用于对纳秒级窄脉冲进行展宽,运算放大器U1B用于对脉冲进行放大。由于本发明是对纳秒级窄脉冲进行操作,所以对运算放大器的带宽有较高要求,本发明的运算放大器U1A和运算放大器U1B采用增益带宽积大于500MHz的电压反馈运算放大器。[0031]被测纳秒级窄脉冲波形由电阻R1与电阻R2相连接的一端输入,电阻R1的另一端与地相连,作为输入信号的阻抗匹配电阻;电阻R2的另一端与电容C1的一端相连,电容C1的另一端与地相连,电阻R2与电容C1构成低通滤波网络;电阻R2与电容C1相连的一端与电阻R3的一端相连,电阻R3的另一端与运算放大器U1A的反向输入端相连;运算放大器U1A的正向输入端与地相连;运算放大器U1A的反向输入端并联连接电阻R4与电容C2的一端,电容C2与电容C1一起控制纳秒级窄脉冲展宽的程度。电阻R4、电容C2的另一端以及运算放大器U1A的输出端并连接电阻R5的一端,电阻R5的另一端连接运算放大器U1B的反向输入端;运算放大器U1B的正向输入端与地相连;电阻R6作为控制放大增益的反馈电阻跨接于运算放大器U1B的反向输入端与输出端;运算放大器U1B的输出端为纳秒级窄脉冲展宽电路的输出。其中,运算放大器U1A和运算放大器的VCC和VEE分别连接正电源和负电源。[0032]脉冲峰值保持电路包括数控模拟开关U2、运算放大器U3A、运算放大器U3B。运算放大器U1B的输出端与运算放大器的U3A的正向输入端相连;运算放大器U3A的输出端与二极管D1的正级相连,二级管D1的负极与储能电容C3的一端相连,储能电容C3的另一端与地相连;运算放大器的U:3A的反向输入端连接的二极管D2正极,运算放大器U3A的输出端连接二极管D2负极;运算放大器U3B的正向输入端连接二级管D1的负极,运算放大器U3B的反向输入端与输出端直接相连;电阻R7的一端连接运算放大器的U3A反向输入端,电阻R7另一端连接运算放大器U3B的反向输入端;运算放大器U3B的输出端为峰值保持电路的输出,与后级数模转换器的输入端连接。其中,运算放大器U3A和运算放大器U3B的VCC和VEE分别连接正电源和负电源。[0033]数控模拟开关U2控制信号输入端Control与控制开关通断的控制信号相连,数控模拟开关U2的GND端与地相连,数控模拟开关U2的VCC端与正电源相连;数控模拟开关U2的输入端IN与二极管D1的负极相连;数控模拟开关U2的输出端OUT与地相连;数控模拟开关U2的输入端IN与输出端OUT导通时,构成储能电容C3的放电回路。[0034]储能电容C3是进行峰值保持的储能电容,数控模拟开关U2控制对其进行放电操作。当峰值保持电路要对脉冲进行峰值保持时,当给数控模拟开关U2的控制信号输入端Control输入低电平,数控模拟开关U2的输入端IN与输出端OUT断开,使多个窄脉冲对储能电容C3充电;当结束采样时,给数控模拟开关U2的控制型号输入端Control输入高电平,数控模拟开关U2的输入端IN与输出端OUT导通,对储能电容C3进行放电,等待下一次脉冲的到来。峰值保持电路中储能电容C3的取值与充放电的操作时机是电路中最重要的参数,对于储能电容C3的值可以通过仿真与实验进行确定。[0035]在一个优选的实施例中,运算放大器U3A和运算放大器U3B均采用高输入阻抗运算放大器,脉冲峰值保持电路的运放具有高的输入电阻可以减少保持电压的下降速度。[0036]在一个优选的实施例中,数控模拟开关U采用高开关隔离度的数控模拟开关。[0037]上述各实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进,均不应排除在本发明的保护范围之外。

权利要求:1.一种基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于包括以下内容:1对被测纳秒级窄脉冲进行脉宽展宽;2对展宽的脉冲信号进行幅值放大;3采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电,进行峰值保持,实现能量叠加;4对多次峰值保持后的波形进行幅值采样,得到纳秒级窄脉冲的幅值信息。2.如权利要求1^述的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于,所述步骤1脉冲展宽采用基于传统的RC低频滤波电路或基于运算放大器的低频滤波电路进行实现。3.如权利要求Iff述的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于,所述步骤2幅值放大采用电压反馈放大器进行实现,使放大后的脉冲峰值与被测纳秒级窄脉冲峰值相同。4.如权利要求1所述的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于,所述步骤3采用多个经过展宽和放大的信号依次对储能电容进行多次充电具体为:逐渐增加进行脉冲峰值保持的脉冲个数,当峰值保持输出直流电压与被测纳秒级窄脉冲峰值相同为止。5.如权利要求1所述的基于多次脉冲峰值保持的短脉冲幅值测量方法,其特征在于,所述步骤4对多次峰值保持后的波形进行幅值采样采用数模转换器件。6.—种基于多次脉冲峰值保持的实现电路,其特征在于,该实现电路包括短脉冲展宽电路和脉冲峰值保持电路;所述短脉冲展宽电路包括运算放大器U1A和运算放大器U1B,被测纳秒级窄脉冲波形由电阻(R1与电阻R2相连接的一端输入,所述电阻R1的另一端与地相连;所述电阻R2的另一端与电容C1的一端相连,所述电容C1的另一端与地相连;所述电阻R2与所述电容C1相连的一端与电阻R3的一端相连,所述电阻R3的另一端与所述运算放大器U1A的反向输入端相连,所述运算放大器U1A的正向输入端与地相连,所述运算放大器U1A的反向输入端并联连接电阻R4与电容C2的一端,所述电阻R4、电容C2的另一端以及运算放大器U1A的输出端并连接电阻R5的一端,所述电阻R5的另一端连接所述运算放大器U1B的反向输入端,所述运算放大器U1B的正向输入端与地相连,电阻R6跨接于所述运算放大器U1B的反向输入端与输出端,所述运算放大器U1B的输出端为所述短脉冲展宽电路的输出;其中,所述运算放大器U1A和运算放大器U1B的VCC和VEE分别连接正电源和负电源;所述脉冲峰值保持电路包括数控模拟开关(U2、运算放大器(U3A和运算放大器U3B;所述运算放大器U1B的输出端与所述运算放大器U3A的正向输入端相连;所述运算放大器U3A的输出端与二极管(D1的正级相连,所述二级管(D1的负极与储能电容C3的一端相连,所述储能电容C3的另一端与地相连,所述运算放大器的U3A的反向输入端连接二极管①2正极,所述运算放大器U3A的输出端连接所述二极管D2负极,所述运算放大器U3®的正向输入端连接所述二级管D1的负极,所述运算放大器U3B的反向输入端与输出端直接相连,电阻R7的一端连接所述运算放大器U3A的反向输入端,所述电阻R7另一端连接所述运算放大器U3B的反向输入端,所述运算放大器U3B的输出端为所述脉冲峰值保持电路的输出,其中,所述运算放大器U3A和运算放大器U3©的VCC和VEE分别连接正电源和负电源;所述数控模拟开关U2的控制信号输入端与控制开关通断的控制信号相连,所述数控模拟开关U2的GND端与地相连,所述数控模拟开关U的VCC端与正电源相连,所述数控模拟开关U2的输入端与所述二极管D1的负极相连,所述数控模拟开关U2的输出端与地相连,所述数控模拟开关U2的输入端与输出端导通时,构成所述储能电容C3的放电回路。7.如权利要求6所述的基于多次脉冲峰值保持的实现电路,其特征在于,所述运算放大器U1A和运算放大器U1B均采用增益带宽积大于500MHz的电压反馈运算放大器。8.如权利要求6所述的基于多次脉冲峰值保持的实现电路,其特征在于,运算放大器U3A和运算放大器U3B均采用高输入阻抗运算放大器。9.如权利要求6或7或8所述的基于多次脉冲峰值保持的实现电路,其特征在于,所述数控模拟开关U2采用高开关隔离度的数控模拟开关。

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