基于FPGA的四象限探测器信号处理板设计

针对激光半主动导引头四象限探测器对回波窄脉冲信号高精度同步采样需求,设计了一款基于FPGA的四象限探测器信号处理板。该设计主要包括峰值检测模块、触发模块和FPGA模块。探测器前端板输出信号经峰值检测模块自动获取峰值电压后,由ADC实现模数变换,在FPGA内进行目标位置解算并形成制导指令上传至飞控板。其核心设计峰值检测模块,解决了窄脉冲信号峰值捕获的难题。实验表明,该设计输出波形稳定,且输出与输入具有良好的线性关系,最大相对误差小于4,通道一致性高于98,满足四象限探测器读出需求;与现有两款峰值检测模块进行性能对比,表明该设计性能表现良好。     

高重频激光地面足印探测器峰检电路的设计

设计了一款两级峰值检测电路,实现对上升沿为3ns、脉宽为5ns、下降沿为3ns、重频为10kHz的脉冲信号的峰值检测与保持,利用STM32单片机的模数转换器完成电压信号采集。给出以APD为光电探测器件的地面探测器系统的基本结构框图,利用探测器系统中的放大电路模块使接收激光脉冲宽度从1ns展宽至5ns,搭配峰值检测电路模块实现窄脉宽、高重频激光信号的检测与数据记录。利用信号源完成峰值检测电路部分的功能测试,使用重频为1kHz、脉宽约为1ns的激光器完成探测器系统整体的功能测试,实验证明此系统可以较好地检测并记录该激光信号的峰值。     

CMOS峰值检测电路

采用差动运算放大器加电流镜的方法,设计了一种CMOS峰值检测电路,包括峰值电压检测及输入信号过峰时刻甄别两部分.该电路设计基于0.5μm CMOS工艺,实现对峰值电压范围为0～5V,脉冲宽度1～5μs的准高斯信号的精确检测,误差小于6mV。另外,改进了过峰时刻甄别电路,采用了先微分再过零比较的办法,避免了一个准高斯信号输出多个峰值电压.     

高速脉冲峰值保持电路的设计

为满足能谱分析中多道脉冲幅度分析器A/D转换的要求,设计了一种高速脉冲峰值保持电路。以高速电压比较器LM311、采样/保持芯片LF398作为主要器件,具有幅度判别、波形采样、峰值保持、电荷泄放等功能,结构简单,易于调试。实验表明:对于高速脉冲信号,该电路可以较好地甄别峰值并保持,性能可靠,响应速度快,误差小于1%。     

大电流窄脉冲激光器驱动芯片设计

脉冲式半导体激光器的出光质量直接影响探测精度。针对激光探测系统小型化的需求,设计一款面积小、集成度高的激光器驱动芯片。该芯片使用新型3D堆叠式封装技术将栅极驱动管芯与功率场效应晶体管管芯集成,并在中间添加双面覆铜陶瓷基板实现两管芯互连。该封装形式既提高了芯片的散热能力,又增强了过流能力。首先对激光探测发射模块现状进行详细介绍,引出了激光器驱动芯片的设计思路与方法,并给出了具体的封装设计流程。对栅极驱动电路与版图进行设计,使用0.25 μm BCD工艺制造栅极驱动芯片。在完成激光器驱动芯片封装后,搭建外围电路进行测试,使该芯片驱动860 nm激光器,芯片供电电压为12 V时,输入电平为3.3 V、频率为10 kHz的PWM信号,芯片输出脉冲宽度为180 ns的窄脉冲,其上升、下降时间小于30 ns,峰值电流高达15 A,可以使激光器正常出光,满足探测需求。芯片具有超小面积,约为5 mm×5 mm,解决了传统激光器驱动电路采用多芯片模块造成探测系统内部空间拥挤的问题,为小型化提供新思路。     

一种用于TOF激光雷达的多通道时数转换芯片设计

时间数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)是一种将连续时间信号转换为数字信号输出的器件,是飞行时间(TOF)激光雷达中的关键部件.在利用计数器粗采样和多相位内插细采样的传统结构上,设计了一种基于相位内插的双级粗细结合型时间数字转换电路,并增加了双回波接收通路来接收多脉冲回波信号,在此基础上设计了一款17通道多路TDC系统芯片.芯片采用CMOS 0.11 μm工艺设计,版图面积为0.6 mm×3 mm.后仿真结果显示,在1.2 V电源下其功耗小于100 mW,单输入精度平均值为51.7 ps,动态范围为3.4 μm,且线性度良好.该TDC芯片适用于飞行时间脉冲激光雷达的信号计时.     

数字化脉冲激光引信探测系统设计与信号处理

针对以往模拟脉冲激光引信探测系统存在的测距误差较大的缺点,为进一步提高脉冲激光引信的测距精度,设计了一种数字化脉冲激光引信探测系统.该探测系统包括发射、接收和信号处理3部分,其中信号处理部分主要实现脉冲回波信号的高速实时采样与缓存、信噪比增强与时延估计.采用双通道ADC并行采样,实现了以200 MHz的等效采样频率对脉冲回波信号进行高速采样.当脉冲回波信号很微弱时,采用多脉冲相干平均算法提高了其信噪比,增强了对微弱回波信号的检测能力.通过最小二乘时延估计算法得到了回波时延,进而计算得到目标距离.测距实验结果表明:该探测系统测距精度较高,最大测距误差为0.25 m.     

36kV/10kW CO2激光器充电电源的研制

为了改善现有CO2激光器工频LC谐振充电时充电电压随激光器工作频率升高而降低、影响激光输出的稳定性和光束质量,不利于装置的小型化和轻量化的问题。采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路,研究了36kV/10kW高频高压充电电源。该电源系统采用三相380V交流电作为供电系统,大功率智能功率模块作为全桥逆变电路。逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电,电源应用电压电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大后,反馈到电源控制芯片SG3525,芯片SG3525通过判断反馈信号的大小,控制输出脉冲宽度调制驱动信号的占空比。激光器放电频率为25Hz时,电源输出电压为37kV,峰值输出功率为13.05kW,充电效率为0.826。结果表明,该高频高压充电电源适合用作CO2激光器的高压充电电源。     

平衡馈电超宽带探地雷达系统的研究与实现

提出了一种新型平衡馈电超宽带探地雷达系统的设计方法,并研制了实际的电路系统。该雷达系统关键技术包括发射机平衡脉冲的实现,取样脉冲产生方法以及取样门的设计。发射机电路产生脉冲宽度为500 ps,峰值电压幅度为8 V的平衡脉冲信号。接收机采样带宽高达4.3 GHz,为平衡取样门结构,对宽带信号进行采样和保持。对雷达系统进行穿透探测实验,实验结果表明:雷达系统能成功接收携有目标信息的雷达回波信号,并能检测到混凝土实体后面的金属物。该雷达系统适合浅层高分辨率目标检测的应用。     

电流激励神经信号再生电路

介绍了一种电流激励神经信号再生电路,该电路由探测电路和激励电路组成。探测电路由全差分运算放大器和仪表放大器组成。全差分运算放大器从神经元上端探测并放大神经信号,仪表放大器对信号进一步放大。最后激励级的跨导放大器将电压线性的转化为电流。电路采用CSMC0.5μmCMOS工艺设计,芯片版图尺寸为0.93mm×0.60mm。芯片的仿真结果为：在±2.5V供电电压下,功耗为8.1mW,输出电流最高可达0.357mA,输出电阻为152kΩ,总谐波失真小于1.9%。     

窄脉冲信号的峰值保持方法

针对跟踪激光雷达对回波信号峰值幅度的需求,分别采用电压型及跨导型峰值保持电路实现窄脉冲信号峰值保持,并测试了不同跨导放大器的保持效果,最终解决了激光雷达回波信号峰值保持的快速以及幅度问题。实验结果表明:采用跨导型峰值保持电路,同时利用双倍缓冲保持方法扩大保持电压峰值范围,可以实现回波信号的峰值提取。该方法采用跨导放大器实现对窄脉冲信号峰值保持的快速性,并利用双倍缓冲器提高驱动能力以及最大可保持峰值。对上升沿约为6ns的脉冲信号,可保持峰值最高达到2.5V、响应时间小于2ns。     

双波长激光驱动接收专用集成电路设计

双色激光引信在克服云烟干扰方面具有重要价值。为了减小引信体积,保障导弹内部空间的充裕性,设计了一种基于BCD工艺的双色激光引信专用集成电路芯片。首先,对现有双色激光引信的结构和工作原理做出了详细介绍,引出了单芯片设计的思路和方法,并给出了该芯片集成的子电路的设计方法和仿真结果。该芯片使用0.25 m的BCD工艺制造。经测试使用该芯片驱动双色激光器,芯片供电电压5 V,激光器支路供电电压27 V时,红外激光器输出峰值功率可达30 W,紫光激光器输出峰值功率达25 W,脉宽50～500 ns可调,重复频率1～100 kHz可调,窗口时间1～10 s可调,红外和紫光回波信号在接收部分实现了分离,在功能上成功取代了原系统的4块芯片,实现了系统的简化。     

一款具有快速上升时间的可均衡激光发射机

面向直接飞行时间测量的3D图像传感器应用,设计了一种具有快速上升/下降时间,输出电流脉冲可配置的阵列型VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光发射机.输出级采用直流耦合驱动电路结构,无需额外的偏置电压和分立元件;4 bit可编程均衡脉冲电路实现了不同高度或宽度的均衡电流,改善了激光驱动器输出电流的上升时间,提高了脉冲信号的完整性和飞行时间的计算精度;同时采用4 bit电流型数模转换器控制不同的输出电流,以实现不同的输出光功率;脉冲产生电路由多个延时单元、选择器和触发器构成,输出不同宽度的脉冲信号,实现了不同大小的平均电流.该电路基于CMOS 65nm工艺实现,电源电压为3.3V,后仿结果表明此发射机可以输出100～500 mA电流,在10 MHz脉冲频率时,脉冲信号实现1.09～17.38 ns可调,其上升时间为270 ps,下降时间为90 ps.均衡电路脉冲信号实现220ps～3.48ns可调,输出级最大输出电流的平均功率为0.15 W.     

脉冲激光引信光电转换系统的设计

为了应对脉冲激光引信回波信号弱、脉宽窄的特性,获得目标尽量多的不失真信息,对光电探测器的特性和放大电路的带宽进行了分析,设计了一套实用的光电转换系统,包括PIN探测电路、前置放大电路和主放大电路。经过TINA和MULTISIM软件模拟仿真和实验验证,设计的光电转换系统的带宽为61.089MHz,增益为72.14dB。结果表明,该系统对于脉宽为十几纳秒的回波脉冲信号进行了很好的低噪声、不失真放大,满足了设计要求,回波信号经光电转换系统后输出的信号与应用需要相匹配,为激光引信的后续信号处理提供了稳定可靠的信号。     

基于回波信号插值重建的峰值判别技术

在脉冲式激光测距技术中,测量距离和目标反射特性变化等因素会引起微弱回波信号的峰值判别误差,造成激光飞行时间的测量误差,峰值判别误差是影响激光测距精度的主要因素之一.针对激光测距中微弱回波信号不规则引起的峰值判断精度低的难题,采用FPGA控制采样电路对回波信号进行高频采样,通过软件对采样数据进行插值重建,根据重建图形判断出回波信号的峰值点位置作为计数停止点,有效提高了回波信号峰值判别精度.实验证明:采用该项技术的激光测距机能够达到0.1 m测距精度.     

激光目标回波模拟器能量标定装置研究

为了解决激光目标回波模拟器输出脉冲激光能量无法现场标定的问题, 采用模拟积分原理, 通过光电探测组件参数优化设计和积分组件电路结构设计, 建立了激光目标回波模拟器能量标定装置, 并设计相应实验对标定装置的测量能力进行验证。结果表明, 激光目标回波模拟器能量标定装置可实现对脉冲宽度为10ns~100ns脉冲激光能量值的准确测量, 其能量测量范围为10fJ~1pJ, 包含因子k=2时, 测量不确定度为13.8%。该研究可满足激光目标回波模拟器输出脉冲激光能量测量与标定的需求。     

高密度封装垂直出射窄脉冲半导体激光模块

针对采用边发射半导体激光器芯片进行多线集成窄脉冲半导体激光模块设计时，存在激光器芯片的排布位置受限、排列密度受限及发射板光轴方向尺寸较大等问题，研制了高密度封装垂直出射窄脉冲半导体激光模块。首先分析了寄生参数对驱动能力的影响，通过减小寄生电感和寄生电阻以获得高峰值窄脉冲驱动电流；然后进行芯组设计，通过设计侧面金属化陶瓷载体，将激光器芯片电极从陶瓷载体侧面引出，该结构将激光器芯片出光方向旋转90°,实现了激光垂直板面出射和板面自由排布，同时极大地压缩了光轴方向尺寸；最后将芯组和驱动电路进行整体设计，在密集排列的同时兼顾关键电路的均匀布局，实现了16线激光器芯片0.7 mm间隔的高密度排布和垂直板面出光。测试结果显示，模块的单路峰值输出功率约为80 W,脉冲宽度约为6 ns,功率不一致性≤5%。     

激光脉冲测距专用CMOS高速高增益读出芯片设计

为进一步实现激光回波脉冲处理电路的高增益、高带宽基本要求,对CMOS集成电路结构设计进行了深入研究:采用改进型RGC跨阻放大器、自动增益控制Cherry-Hooper级联结构、与双端输出源极跟随器分别作为前置放大器、电压宽带放大器与缓冲环节构成激光脉冲信号的接收通路;利用MOS_L等效并联电感峰化技术实现电路带宽拓展。在0.5μm的CMOS工艺条件下,对其电路性能进行了仿真检测。结果表明:该信号处理电路的信号带宽、增益、输入阻抗与输出电压的响应幅度分别为100MHz,141dB,117Ω和1V。最后对其电路提出具体的版图设计与测试方案等。     

一种分段式峰值电流斜坡补偿电路

设计了一种应用于峰值电流型控制Buck DC-DC转换器的分段式斜坡电流补偿电路,以消除峰值电流控制模式下可能产生的次谐波振荡。该电路采样峰值电流,通过采样电阻将电流转换为电压输出。当开关脉冲控制的导通时间占空比D<35%时,斜坡补偿电压的斜率为零。当占空比D>35%时,斜坡补偿电压的斜率占空比变化。斜坡补偿电路不仅消除了D>50%时次谐波振荡引起的系统不稳定现象,还提高了电源芯片的带载能力。基于0.5 μm BCD工艺进行设计,仿真结果显示,该斜坡补偿电路具有良好的补偿能力和带载能力。应用该电路的DC-DC转换器的最高负载工作电流达到7 A。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。