周 宇，張國平，徐洪波，葛 鏡，羅 俊

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

激光測距發(fā)射電路的設(shè)計

周 宇，張國平，徐洪波，葛 鏡，羅 俊

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

為了激光測距發(fā)射電路的集成化要求，設(shè)計了一種小型半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源，該驅(qū)動電源可以用于激光測距中。驅(qū)動電路采用MAX3656集成電路作為核心元件，可以通過調(diào)節(jié)電路中電阻的阻值設(shè)置所需要的調(diào)制電流和偏置電流。半導(dǎo)體激光器的輸出可以直接通過數(shù)字電路產(chǎn)生的信號控制，可以輸出上升沿時間約為4 ns、脈沖寬度為8 ns的脈沖，這些特性可以用于脈沖激光測距中。

激光測距；驅(qū)動電路；激光脈沖

隨著技術(shù)的進(jìn)步，小型化、集成化的激光測距模塊是一個趨勢[7]。例如意法半導(dǎo)體公司2014年發(fā)布一款激光測距模塊 VL6180X。該模塊尺寸僅為4.8mm x 2.8mm x 1.0mm，可以用于各種小型設(shè)備中?，F(xiàn)在該模塊已經(jīng)應(yīng)用于手機(jī)上，LG公司的G3手機(jī)即采用了該模塊作為相機(jī)測距模塊來提高手機(jī)相機(jī)的對焦時間。

半導(dǎo)體激光器有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、高效率、可直接調(diào)制等優(yōu)點，常常作為小型激光測距儀的光源使用[8]。理論上，當(dāng)半導(dǎo)體激光器工作在額定范圍中，輸出光功率與電流成線性關(guān)系。正是由于這種線性關(guān)系，半導(dǎo)體激光器具有了能夠直接調(diào)制輸出光強(qiáng)的特性，使得半導(dǎo)體激光器使用范圍特別廣。半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光脈沖也是由激光電源產(chǎn)生的電脈沖直接調(diào)制得到的，脈沖產(chǎn)生電路是系統(tǒng)中最為核心的部分[9]。為使其小型化，利用了現(xiàn)有集成電路產(chǎn)生脈沖波形，并在設(shè)計中使用 MAXIM公司的MAX3656芯片作為激光驅(qū)動電路的核心元件。

1 發(fā)射電路原理

如圖1所示為激光測距發(fā)射電路的系統(tǒng)框圖，該激光發(fā)射系統(tǒng)由控制電路、脈沖發(fā)生電路、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路構(gòu)成。

圖1 激光測距電路發(fā)射電路系統(tǒng)圖

控制電路由單片機(jī)及外圍電路組成，單片機(jī)輸出信號控制脈沖輸出。單片機(jī)作為激光測距儀的控制器，控制激光測距部分的信號處理與控制。通用單片機(jī)由于本身限制，外部速度并不能滿足激光測距系統(tǒng)要求。本設(shè)計選用的是STM32F407系列芯片，只能提供上升時間為20 ns，最小脈寬大約50 ns的脈沖信號。在激光測距中希望脈沖寬度與上升沿時間盡量小，單片機(jī)直接輸出不能提供需要的脈沖信號，需要設(shè)計脈沖發(fā)生電路。

脈沖發(fā)生電路是根據(jù)基本的數(shù)字電路設(shè)計的，控制信號通過脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生適合的脈沖信號。激光器驅(qū)動電路由MAX3656芯片作為核心元件組成，脈沖信號輸入激光器驅(qū)動電路驅(qū)動激光器發(fā)射脈沖激光。

2 脈沖產(chǎn)生電路

脈沖產(chǎn)生有多種方法，常用的方法是利用儲能元件充放電得到短持續(xù)時間的信號，再經(jīng)過等效成開關(guān)的高速器件等效成開關(guān)，從而整形成滿足要求的脈沖。由不同高速器件為核心構(gòu)成的脈沖整形電路普遍存在波形不穩(wěn)定的特點，而且由于模擬電路設(shè)計，與數(shù)字電路兼容性差。

數(shù)字電路中在組合邏輯電路中會出現(xiàn)競爭冒險現(xiàn)象。競爭冒險是由于在組合電路中，信號經(jīng)由不同的途徑達(dá)到某一會合點的時間有先有后的競爭現(xiàn)象而引起電路輸出發(fā)生瞬間錯誤現(xiàn)象。競爭冒險會產(chǎn)生干擾脈沖，通常情況下是需要避免的，但是可以利用這一現(xiàn)象產(chǎn)生納秒級別的窄脈沖信號。

圖2給出了窄脈沖產(chǎn)生電路，該電路采用了非門和與非門作為主要邏輯器件。初始時鐘信號分為兩路。非門在電路實際上起到延時的作用，非門的上升時間決定了脈沖的寬度。對于與非門而言，只有當(dāng)兩路信號是高電平時輸出才是低電平，而非門將初始時鐘信號反相，在初始時鐘信號為低電平以及電路穩(wěn)定工作的時候，輸出為高電平。只有在初始時鐘信號由低電平轉(zhuǎn)為高電平的時候會由于非門的延時產(chǎn)生一個窄脈沖，再通過一個非門得到一個脈沖信號。

根據(jù)前述百色市稅收收入結(jié)構(gòu)及變化分析，筆者認(rèn)為，為使百色市經(jīng)濟(jì)稅收實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)按照供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的要求，從以下四個方面著手：

圖2 脈沖產(chǎn)生電路圖

在圖2電路中采用了74LVC00與74LVC14。查詢技術(shù)手冊可以得知74LVC00上升時間大約為4 ns，而74LVC14上升時間大約為8ns。在脈沖激光測距中，接收機(jī)的時刻判斷精度與上升沿的陡峭程度有關(guān)[10]。所以為了更陡峭的上升沿采用最后由74LVC00反相產(chǎn)生脈沖波形。

在此電路中，采用的都是74LVC系列的邏輯門單元芯片，各元件閾值電平基本一致。因此當(dāng)單片機(jī)輸出控制信號為低電平時，脈沖產(chǎn)生電路輸出為低電平。當(dāng)控制信號跳轉(zhuǎn)，由低電平跳轉(zhuǎn)到高電平時，根據(jù)所使用單片機(jī)的特性，控制信號電壓上升有一定的時間。當(dāng)控制信號電壓上升到閾值電平時，74LVC14輸出電平由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，但是輸出電壓上升時間大約8 ns，在這段時間內(nèi)，電壓沒有達(dá)到閾值電壓。所以與非門芯片74LVC00仍判別為高電平，輸出由高電平轉(zhuǎn)為低電平，74LVC00跳轉(zhuǎn)時間大約為4 ns，能夠在8 ns內(nèi)完成電平的跳轉(zhuǎn)。當(dāng)74LVC14輸出電平下降到閾值電平時，與非門芯片74LVC00判別為低電平，輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平。這個信號再次通過74LVC00另外一個與非門時，整個電路輸出為一個脈沖寬度大約為8 ns，上升時間大約為4 ns的脈沖信號。這個脈沖信號基本可以滿足脈沖激光測距的要求。

3 MAX3656激光器驅(qū)動電路

MAX3635是一款能夠運行從155Mbps到2.5Gbps速率傳輸?shù)募す怛?qū)動芯片。該激光驅(qū)動芯片可以接收正射極耦合邏輯電平或者電流型邏輯數(shù)據(jù)的輸入，并且為半導(dǎo)體激光器分別提供偏置電流與調(diào)制電流。其中，調(diào)制電流能夠在10 mA到85 mA的范圍內(nèi)設(shè)置，而偏置電流能夠在1 mA到70 mA的范圍內(nèi)設(shè)置。

MAX3635主要分為3個部分：高速調(diào)制模塊、高速偏置驅(qū)動模塊和激光偏置功率自動控制模塊。高速調(diào)制模塊和高速偏置驅(qū)動模塊都能夠輸出差分電流源信號。而且MAX3635能夠通過BEN使能端選擇開啟或關(guān)閉突發(fā)模式。偏置電流也能夠在突發(fā)的情況下高速開關(guān)。

MAX3635通過內(nèi)置的數(shù)字自動功率控制模塊隨溫度對激光器的閾值電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到激光器輸出的平均光功率保持穩(wěn)定的目的。同時通過對激光器的輸出進(jìn)行限制達(dá)到激光器防浪涌及工作電流限制的作用，保護(hù)激光器。數(shù)字自動功率控制模塊通過監(jiān)測在半導(dǎo)體激光器中安裝的反饋光電二極管將激光二極管輸出的光功率轉(zhuǎn)換成的光電流來調(diào)整輸出的偏置電流。自動功率控制可以通過對RAPCSET設(shè)置參考電流來調(diào)整偏置電流的設(shè)置 。

本設(shè)計選用激光器閾值電流為30 mA，工作電流為40 mA。監(jiān)測光電二極管輸出工作電流不超過0.2 mA，最大不超過0.5 mA。半導(dǎo)體激光器是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件，對于電沖擊的承受能力差[11]。所以需要控制功率，而該芯片能提供自動功率控制功能

RAPCSET的設(shè)置需要估計監(jiān)測光電二極管所需電流。從使用的半導(dǎo)體激光器的技術(shù)手冊上可知光電二極管工作電流為200 μA。在其技術(shù)手冊中科可以根據(jù)參考檢測電流IMD與RAPCSET與對應(yīng)關(guān)系可以查出對應(yīng)的RAPCSET為12 kΩ。

所采用的的半導(dǎo)體激光器的閾值電流的典型值為24 mA。偏置電流的選擇能夠影響脈沖激光測距儀的性能，提高偏置電流能夠提高激光脈沖的調(diào)制速度，減少上升時間，但是同時會影響消光比。消光比能夠影響激光測距儀的最大量程[12]。選擇偏置電流為24 mA，即IBIASMAX=24 mA。在其技術(shù)手冊中可以根據(jù)輸出調(diào)制電流IBIAMAX與RBIAMAX對應(yīng)關(guān)系可以查出對應(yīng)的RBAISMAX大約為15 kΩ。

激光器輸出功率大不利于儀器小型化[13]。為了使該測距設(shè)備小型化，采用激光器的輸出功率較小，激光二極管的工作電流34 mA，調(diào)制電流為工作電流減去偏置電流，即IMOD=10 mA。圖所給出的是MAX3656輸出的IMOD的工作特性的典型值，這是在25度時選擇RMODSET的電阻值對應(yīng)的輸出電流的值，在其技術(shù)手冊中根據(jù)輸出最大偏置電流IMOD與RMODSET對應(yīng)關(guān)系可以查出IMOD為10 mA所對應(yīng)的RMODSET為30 kΩ。

圖3 基于MAX3656的激光驅(qū)動電路圖

圖3是基于MAX3656的激光驅(qū)動電路圖。由于半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電流是輸出模擬信號，而作為輸入的是數(shù)字信號，數(shù)字信號與模擬信號之間容易產(chǎn)生干擾，需要在電源與地之間加入電容以消除干擾。自動功率控制能夠工作要求在設(shè)置電流所使用的電阻與地直接連接，否則會出現(xiàn)不能調(diào)整電流的故障以至于功率控制失敗。根據(jù)計算，APCSET引腳通過12 kΩ的電阻與地連接，MODSET引腳通過30 kΩ的電阻與地連接，BAISMAX引腳通過15 kΩ的電阻與地連接。

BEN端口是芯片突發(fā)模式輸入端，當(dāng)芯片工作在突發(fā)狀態(tài)時，可以在不到3 ns內(nèi)啟動半導(dǎo)體激光器。一般情況下，激光測距系統(tǒng)中不需要半導(dǎo)體激光器快速啟動，所以該芯片應(yīng)用于激光測距系統(tǒng)時不需要開啟該模式。在OUT+與BIAS+端口工作時，需要將BEN+置高電平，所以將BEN+與Vcc連接。BEN-也需要與地相連。

OUT+與BIAS+與激光二級管相連。當(dāng)輸入脈沖信號時，半導(dǎo)體激光器能夠輸出脈沖激光。OUT-與BIAS-通過二極管串聯(lián)電阻與VCC連接。二極管與電阻可以避免反向電流過大而燒毀MAX3656芯片。MD是半導(dǎo)體激光器監(jiān)控輸入端口，與激光器中的光電二級管相連。通過光電二極管監(jiān)控激光器的功率輸出。

FAIL引腳在自動功率控制失效時，能夠輸出低電平報警。在該電路中，F(xiàn)AIL引腳通過三極管與LED相連，當(dāng)自動功率控制失效時，LED會發(fā)光報警，提示當(dāng)前自動功率控制失敗。

4 結(jié)果分析

圖4為示波器探測光電接收模塊接收到的激光脈沖波形，圖中可以看到激光脈沖前沿為波形從10%到達(dá)90%所用時間，大約為4 ns。脈沖寬度約為8 ns?？梢钥吹接捎陔娐分胁捎玫腗AX3656激光驅(qū)動芯片具備自動功率控制功能，能夠自動優(yōu)化半導(dǎo)體激光器的輸出激光脈沖參數(shù)，得到的輸出波形較好，易于后續(xù)信號處理。

在本電路中使用了邏輯門電路作為脈沖發(fā)生整形電路的基本元件。根據(jù)電路分析，輸出脈沖信號應(yīng)該上升時間大約4 ns，脈沖寬度大約8 ns。由激光驅(qū)動芯片驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，所選用的的芯片能夠很好的還原輸入的脈沖信號。脈沖寬度可由輸入信號決定，本電路中使用了74LVC14延時，加入其它器件能夠按照需要選擇或者控制脈沖寬度。

圖4 脈沖激光輸出信號

該驅(qū)動電路能夠使用高低電平信號控制激光器，因此能夠通過單片機(jī)控制脈沖輸出，且能驅(qū)動合適的半導(dǎo)體激光器，適合用在自觸發(fā)脈沖飛行時間測距法的激光測距儀上，有利于實現(xiàn)高速高精度測距[14-15]。激光脈沖的脈沖上升沿時間很大程度取決于輸入信號的寬度與上升沿時間。即輸出的激光脈沖波形取決于輸入波形?？梢岳贸咚贁?shù)字集成電路得到更好的結(jié)果。

5 結(jié) 論

本設(shè)計利用基本的數(shù)字電路元件產(chǎn)生脈沖上升時間短，脈寬窄的脈沖信號；并且利用MAX3656作為激光驅(qū)動電路的核心元件，研制了一種體積小，速度快的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源電路。能夠通過高速數(shù)字電路直接發(fā)射脈沖激光，并且能夠通過輸入信號自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率。驅(qū)動電流的各項產(chǎn)生可以根據(jù)需要簡單的通過設(shè)置不同的電阻進(jìn)行編程，設(shè)計簡便。經(jīng)過實驗驗證，MAX3656構(gòu)成的驅(qū)動電源電路運行穩(wěn)定可靠，并且能夠應(yīng)用在短程脈沖激光測距儀以及自觸發(fā)脈沖激光測距儀的設(shè)計中。

[1]李俊鋒，阮林林，姚丹．一種便攜式激光測距儀的原理及方案實現(xiàn)[J]．測繪與空間地理信息，2014（1）：103-105．

[2]任豪，羅宇強(qiáng)，何曉波，等．激光測距用半導(dǎo)體脈沖激光測頭的研究[J]．光學(xué)技術(shù)，2006（S1）：617-618．

[3]智強(qiáng)，霍玉晶，鞏軻．手持激光測距儀及其發(fā)射電路[J]．激光與紅外，2013（5）：532-535．

[4]賈泳，高彥偉，林興泰，等．人眼安全激光測距模組緊湊化設(shè)計技術(shù)[J]．光學(xué)與光電技術(shù)，2014（6）：45-47．

[5]呂彬，冀小平．激光測距傳感器在車輛寬高檢測中的應(yīng)用[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2014（12）：152-154．

[6]李秀華，莊新，宋立明．激光測距技術(shù)探究[J]．長春工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2012（4）：39-41．

[7]廖平，蔡玉鑫．改進(jìn)型相位式激光測距電路的設(shè)計[J]．激光與紅外，2013（4）：356-359．

[8]霍玉晶，楊成偉，陳千頌．脈沖激光測距光源進(jìn)展[J]．激光與紅外，2002（3）：131-134．

[9]姜川，閆吉慶，唐義，等．?dāng)?shù)控大電流窄脈沖激光驅(qū)動電源的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（5）：138-141，144．

[10]應(yīng)歡，王少平．提高脈沖激光測距精度的方法研究[J]．電子測量技術(shù)，2014（10）：25-28．

[11]明奇，梅欣麗，李常青．連續(xù)或脈沖輸出功率可調(diào)LD驅(qū)動電源設(shè)計[J]．電子設(shè)計工程，2010（6）：183-185．

[12]曾嫦娥，王茜蒨，常崗，等．脈沖激光測距機(jī)最大測程測試方法研究[J]．紅外與激光工程，2005（6）：664-668．

[13]周德亮，張興敢．一種脈沖-相位式激光測距儀的設(shè)計[J]．電子測量技術(shù)，2009（5）：21-24．

[14]陳千頌，趙大龍，楊成偉，等．自觸發(fā)脈沖飛行時間激光測距技術(shù)研究[J]．中國激光，2004（6）：745-748．

[15]楊曉，孫釗．自觸發(fā)脈沖激光測距飛行時間測量研究[J]．電子設(shè)計工程，2012（1）：110-112．

The design of laser range transmitting circuit

ZHOU Yu，ZHANG Guo-ping，XU Hong-bo，GE Jing，LUO Jun
（College of Physics Science and Technology，Central China Normal University，Wuhan 430079，China）

In order to integrate the laser ranging transmitting circuit，a kind of small driver for semiconductor laser is designed，which can be used in laser ranging.Driving circuit uses the MAX3656 integrated circuit as a core component，which can be set by adjusting the resistance of circuit resistance required modulation current and bias current..Semiconductor laser output can be directly control by the signal of digital circuits.The current can output pulse that the time of rising edge is about 4 ns，and the depends is 8ns，these features can be used in pulse laser ranging.

laser ranging；driver circuit；laser implus

TH74

：A

：1674－6236（2017）03-0145-04

2016-02-23稿件編號：201602111

華中師范大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目資助（CCNU14A02005）

周 宇（1986—），男，湖北漢川人，碩士研究生。研究方向：光電檢測，激光測距。