本發(fā)明涉及激光脈沖測距儀技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種激光脈沖發(fā)射電路。

背景技術(shù)：

激光脈沖發(fā)射電路，在激光脈沖測距儀中是普遍使用的電路。它對發(fā)射的激光脈沖時有要求的。在相位式激光測距儀中，其發(fā)射的激光功率應(yīng)該≤5mW，這是安全方面的標(biāo)準(zhǔn)要求。而在脈沖測距的應(yīng)用中，其發(fā)射激光的功率應(yīng)該≤0.4mW，其脈沖的上升沿、下降沿要求≤10ns，激光脈沖的寬度要求≤100ns。

根據(jù)提出的技術(shù)要求，采用波長為n＝905nm，功率為75W的脈沖發(fā)射管電路，應(yīng)用在激光脈沖測距儀中，其電路結(jié)構(gòu)如圖1，其激光管工作狀態(tài)：

在測量中，真正起作用的是脈沖信號上升沿或是下降沿及脈沖寬度。其上升沿、下降沿決定測量精度，脈沖寬度決定發(fā)射能量大小。所以應(yīng)該盡量縮短脈沖信號的寬度，為一定值，使發(fā)射脈沖盡量接近規(guī)定的要求。(激光管規(guī)定的脈沖寬度為：≤100nS)

在圖1中，影響脈沖寬度的主要原因是：電阻R₄對電容充電，激光管的正向?qū)娮鑂_D隨著導(dǎo)通電壓的減小而增加，其激光管的導(dǎo)通電阻R_D不再是小阻抗，并聯(lián)在激光管兩端的電阻R₃＝100Ω不是很小等造成。

電容器的放電時間τ₁就是激光管發(fā)射激光時的上升沿時間，電容器的反向恢復(fù)時間τ₂就是激光管停止發(fā)射激光所需要的時間(決定激光脈沖的寬度)。其τ₂為：

τ₂＝(R_Q4+R_D1||R₅||R₄)×C₄

導(dǎo)通狀態(tài)時，R₀₄≤1Ω，R_D1||R₅||R₄≈R₅＝100Ω，C₄＝22nF，

則：τ₂≈2200nS。

由于Q1，Q2，Q3組成的驅(qū)動器，其最大驅(qū)動電流約為800mA，在脈沖驅(qū)動過程中，驅(qū)動電流達不到場效應(yīng)管需要的柵極電流，所以漏極電流達不到激光管發(fā)射激光時的最大電流，所以激光功率比較小。因為τ₂≈2200nS所以激光脈沖寬度比較大。具體驅(qū)動激光管發(fā)光的驅(qū)動脈沖波形如圖2，

實際測試發(fā)射激光脈沖信號波形圖如圖3

注：1.脈沖前沿約為：6ns

2.脈沖總寬度約為：3000ns

3.激光有效脈沖寬度約為：≥400ns

由于激光功率的峰值是75W，在實際應(yīng)用中，由于電路的特性，激光管的實際發(fā)射激光功率只有約13W，而由于光學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，實際物鏡的出光功率僅為激光功率的十分之一左右，≤1.3W峰值。在脈沖發(fā)射的周期中，平均功率為：0.4mW左右。在安全方面基本符合要求，但是，對于脈沖上升沿、下降沿、脈沖寬度方面卻存在很大問題，同時，脈沖重復(fù)頻率不能提高，只有250HZ或以下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種使得激光管在發(fā)射激光時，可以滿功率發(fā)射激光功率，激光上升沿、下降沿、脈沖寬度都符合技術(shù)要求，而且脈沖寬度可調(diào)，觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率可以很容易達到100KHZ以上，脈沖平均功率符合安全標(biāo)準(zhǔn)的激光脈沖發(fā)射電路。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種激光脈沖發(fā)射電路，具有門芯片IC1、低壓差穩(wěn)壓器IC2、驅(qū)動集成芯片IC3和場效應(yīng)管IC4；所述門芯片IC1的兩個輸入端并聯(lián)后與觸發(fā)信號的輸出端相連接，門芯片IC1的輸出端與驅(qū)動集成芯片IC3的使能端相連，門芯片IC1的電源端通過低壓差穩(wěn)壓器后接電源VDD1，門芯片IC1的接地端接地；所述驅(qū)動集成芯片IC3的電源端VDD接電源VDD1，驅(qū)動集成芯片IC3的ENBA端接VDD1，AGND端和POND端均接地，驅(qū)動集成芯片IC3的兩個輸出端并聯(lián)后通過電阻R1接至場效應(yīng)管IC4的柵極G；所述場效應(yīng)管IC4的源極S接地，場效應(yīng)管IC4的柵極G依次通過電阻R3、晶體管Q1和晶體管Q2后與漏極D連接。

上述技術(shù)方案所述場效應(yīng)管IC4的漏極D并聯(lián)后依次通過電容C3和發(fā)光二極管D1后接地。

上述技術(shù)方案所述晶體管Q1的基極接電阻R3，發(fā)射極接地，集電極接晶體管Q2的基極；所述晶體管Q2的發(fā)射極接場效應(yīng)管IC4的漏極D，集電極通過電阻R4接至其自身的基極。

上述技術(shù)方案所述驅(qū)動集成芯片IC3的電源端VDD與電源VDD1之間連接有接地的下拉電容C1和C2。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果：

(1)本發(fā)明使得激光管在發(fā)射激光時，可以滿功率發(fā)射激光功率，激光上升沿、下降沿、脈沖寬度都符合技術(shù)要求，而且脈沖寬度可調(diào)，觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率可以很容易達到100KHZ以上，脈沖平均功率符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明，其中

圖1為傳統(tǒng)的激光脈沖發(fā)射電路的電路圖；

圖2為傳統(tǒng)的激光脈沖發(fā)射電路的驅(qū)動脈沖寬度信號圖；

圖3為傳統(tǒng)的激光脈沖發(fā)射電路的實際測試發(fā)射激光脈沖信號波形圖；

圖4為本發(fā)明的電路圖；

圖5為本發(fā)明的驅(qū)動脈沖寬度信號圖；

圖6為本發(fā)明的實際測試發(fā)射激光脈沖信號波形圖；

具體實施方式

(實施例1)

見圖4至圖5，本發(fā)明具有門芯片IC1、低壓差穩(wěn)壓器IC2、驅(qū)動集成芯片IC3和場效應(yīng)管IC4；所述門芯片IC1的兩個輸入端(1、2管腳)并聯(lián)后與插座的輸出端(3管腳)相連接，門芯片IC1的輸出端(4管腳)與驅(qū)動集成芯片IC3的使能端EN(1管腳)相連，門芯片IC1的電源端(5管腳)通過低壓差穩(wěn)壓器后接電源VDD1，門芯片IC1的接地端(3管腳)接地；所述驅(qū)動集成芯片IC3的電源端VDD(1管腳)接電源VDD1，驅(qū)動集成芯片IC3的ENBA端(3管腳)接電源VDD1、AGND端(4管腳)和POND端(5管腳)均接地，驅(qū)動集成芯片IC3的兩個輸出端(6、7管腳)并聯(lián)后通過電阻R1接至場效應(yīng)管IC4的柵極G(4管腳)；所述場效應(yīng)管IC4的源極S(1、2、3管腳)接地，場效應(yīng)管IC4的柵極G(4管腳)依次通過電阻R3、晶體管Q1和晶體管Q2后與漏極D(5、7、8管腳)連接。

所述場效應(yīng)管IC4的漏極D(5、7、8管腳)并聯(lián)后依次通過電容C3和發(fā)光二極管D1后接地，且電容C3和發(fā)光二極管D1的公共連接處連接有接地的二極管D2和接地的電阻R5。

所述晶體管Q1的基極接電阻R3，發(fā)射極接地，集電極接晶體管Q2的基極；所述晶體管Q2的發(fā)射極接場效應(yīng)管IC4的漏極D(5、7、8管腳)，集電極通過電阻R4接至其自身的基極。

所述驅(qū)動集成芯片IC3的電源端VDD(1管腳)與電源VDD1之間連接有接地的下拉電容C1和C2。

驅(qū)動電路有三級管電路改成驅(qū)動集成電路UCC27322，其特性如下表：驅(qū)動電路UCC27322電路基本參數(shù)：

從上述指標(biāo)中可以看出：

輸入高電平電壓應(yīng)該大于2.7V

輸入低電平電壓應(yīng)該小于1.1V

輸出峰值電流應(yīng)該≥9A

有效電流應(yīng)該≥3A(負(fù)載為容性，負(fù)載電容為10nF)。

可以直接由MPU等IC驅(qū)動。

場效應(yīng)管有FDMC86160組成，其電路基本參數(shù)如下：

從場效應(yīng)管FDMC86160特性曲線可以看出：

A.當(dāng)V_GS≥10V時，I_D≥50A此時，BV_SD＝0.8～1.0V

B.柵極驅(qū)動電流為：

其中：d_t按照如下計算：在脈沖上升沿t_r＝10ns內(nèi),驅(qū)動電壓達到95％時所對應(yīng)的時間為d_t，

則：所以：

d_t＝ln0.05×τ≈3τ＝3×10ns＝30ns

即當(dāng)時間為:t_d＝30ns時驅(qū)動電壓為：V_GS＝10V時，驅(qū)動?xùn)艠O電流為：430mA,漏極電流可以達到：I_D＝50A。

有電路參數(shù)可以看出，當(dāng)驅(qū)動電流為430mA時，流經(jīng)電阻R₁產(chǎn)生的壓降為：

V_R1＝430mA×2Ω＝0.86V。

因此，前級的驅(qū)動電壓應(yīng)該為：

U_out＝0.86V+10V＝10.86V

由于前級電源電壓為15V，前級的電功率為：

P_IN≥15V×430mA＝6450mW

電路原理描述如下：

假設(shè)：發(fā)射高壓為60V，當(dāng)發(fā)射脈沖為高電平時，晶體管Q1導(dǎo)通，晶體管Q2截止，電容器C₃＝33nF不充電；晶體管FDMC86160導(dǎo)通，電容c₃上的電通過MC86160放電，此時激光管發(fā)光。當(dāng)發(fā)射觸發(fā)脈沖為低電平時，晶體管Q1截止，使得Q2導(dǎo)通，此時對電容器C₃33nF充電，晶體管Q2導(dǎo)通時，其導(dǎo)通電阻約為：

所以電容器的充電電阻約為：R_on≤1Ω。

此時，充電時間常數(shù)為：

τ＝RC≤1Ω×33nF＝33ns(忽略其他影響)。

實際上，當(dāng)電容器上充電時，激光管不發(fā)光，電容器充電時間常數(shù)計算為：(在此半個周期內(nèi)，激光管不發(fā)光)

在半周期2.5ms內(nèi)，電容器上充滿電壓為：60V。

在觸發(fā)信號的另外半個周期內(nèi)，電容器放電，此時當(dāng)電容器放電時，激光管發(fā)射激光。

電容器放電時間常數(shù)為：

其中：R_CO----場效應(yīng)管導(dǎo)通時的電阻。R_CO＝0.023Ω

R_m-----線路板引線等電阻。R_m≤1Ω(取0.6Ω)

R_D2----激光管導(dǎo)通時的電阻。

隨著導(dǎo)通電壓變化，其電阻值是變化的。

導(dǎo)通時的電阻為：

隨著導(dǎo)通電壓的降低，其導(dǎo)通電阻將增加。由于并聯(lián)電阻R₅＝3Ω，所以估算時以最大值3Ω計算。

R₅-------外接電阻值。試驗中R₅可以取值為：3Ω或者4.7Ω。

則：總電阻約為：3.7Ω左右。

電容器反向回復(fù)時間為：t₂＝3.7×33nF＝122.1nS

脈沖保持寬度為：

(實際試驗時，R₅＝4.7Ω，C₃＝33nF，反向回復(fù)時間為：

t₂＝5.4×33nF＝178.2nS

脈沖保持寬度為：

脈沖上升沿時間是激光管開始發(fā)激光時間為:t₁，脈沖下降沿就是激光管不發(fā)光的時間：t₂，如果假設(shè)：激光管發(fā)光的閾值是：8V，不發(fā)激光的閾值是：7.5V，則脈沖上升沿及下降沿時間約為：

具體驅(qū)動激光管發(fā)光的驅(qū)動脈沖波形如圖5。

實際測試信號波形圖結(jié)果如圖6：

實際測試激光管發(fā)光的時間為：

上升時間約為：6ns

下降時間約為：6nS

脈沖寬度是：τ₀＝30nS

脈沖總寬度：T_o＝45nS

脈沖幅度：U_k＝27.8V

脈沖頻率約為：

根據(jù)激光管PL90-3的參數(shù)顯示，激光工作電壓為：

最小值：8V

典型值是：9V

最大值是：11V

峰值功率：P₀＝75W

在脈沖測距儀中，如果激光管的輸出功率為90W峰值，則在重復(fù)頻率為：200HZ時，重復(fù)周期為：5ms的間隔內(nèi)，其平均功率約為：

將超過人眼I類安全標(biāo)準(zhǔn)(0.4πW)，不符合安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以將脈沖重復(fù)頻率降低如：100HZ。此時，重復(fù)周期為：10mS則平均功率為：0.33mW，將符合人眼I類安全標(biāo)準(zhǔn)(0.4πW)。

由于脈沖信號的寬度降低到：τ₀＝30nS，所以脈沖重復(fù)頻率可以很高達到約10MHZ以上。而且其脈沖寬度可以通過調(diào)整電容C的大小而改變。實際使用時，當(dāng)選擇C＝5000pF時，脈沖寬度實際測量只有約4ns左右，脈沖上升沿、下降沿約為4ns。

在脈沖測距儀的使用中，元件取值為：

發(fā)射電容：C＝33nF

并聯(lián)電阻：R₅＝4.7Ω

脈沖上升沿：t₁≈5.6nS

脈沖下降沿：t₂≈5.6nS

脈沖寬度：t_d≈30nS

脈沖總寬度：T_o≈42nS

脈沖幅度：U_k＝34.6V

因為并聯(lián)電阻R₅＝4.7Ω的作用，在激光發(fā)射時間內(nèi)要分流部分電流，電阻R₅上的分流電流為：

此時激光管的最大電流為：I_D≈50A-11A＝39A。

實際的脈沖幅度會比電容器C₃＝33nF的充電電壓60V為低，只達到約34.6V。從激光管發(fā)光曲線查得，當(dāng)激光管流過電流為39A時，激光管峰值功率約為:80W。因此，激光管可以運用在滿功率的工作狀態(tài)下。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。