基于三角激光测距系统中激光器驱动电路的研究

祁伟光，李红娟，谢 勇，李良庭，马路明

(上海兰宝传感科技股份有限公司，上海 201404)

0 引言

激光三角测量[1]是实现激光测距和激光位移传感的重要方法，可以实现μm级别的高精度测量。三角激光测距系统如图1所示，包含激光模组、接收透镜、线阵CCD以及其他传感器部分。激光模组发射的光经标靶反射后，通过接收透镜汇聚光线，在线阵CCD上成像。标靶距离不同，在CCD上的成像位置也不同。提取成像光斑的质心后，即可计算出当前标靶距离。

图1 三角激光测距系统原理图

激光光源是该系统的重要组成部分，其性能直接影响产品的精度、温度稳定性和使用寿命。且不同于激光脉冲测距方法[2]和激光相位测距方法[3]对激光驱动电路的要求，其对功率稳定性的要求更高。目前三角测量产品所采用的激光光源多为半导体激光器，具有封装小、光电转换率高、低成本等优点，但在实际使用中的抗干扰能力很弱，容易受到环境影响，因此需要对其功率进行恒定控制[4-7]。为了实现高出光功率稳定、小体积、低成本、高动态范围调整和宽温度范围等在产品设计阶段的要求，设计并深入分析本文提到的高稳定性激光器驱动电路。

1 电路模型分析

三角激光测距系统激光驱动电路如图2所示，包含激光器、驱动三极管、运放反馈电路和DAC调节等部分。

图2 激光驱动电路

在系统中，LD的输出光功率(P)和PD产生的光电流(Im)有着唯一的对应关系:

P=Imk

(1)

V+=V-≈Vf=R2Im

(2)

Im≈V+/R2

(3)

可以得出激光器的光功率(P)与运放的同向输入电压V+之间的关系如式(4)：

P=(V+/R2)k

(4)

三极管的特征频率fT也被称为“增益带宽积”。因为β反映了晶体管对电流的放大作用，f代表带宽。例如某一电路中需要三极管β大于10，最高的信号频率是60 MHz，那么，选择晶体管的特征频率fT必须要有600 MHz。β和f有如图3的关系。

图3 β与晶体管的特征频率之间的关系

从图3可以看出，三极管的放大倍数β随着信号频率的增大而变小。直到信号频率等于特征频率fT，β降低为1，失去放大作用。三极管的β的范围是280～550，fT的最小值为100 MHz。支持的信号的最高频率计算公式如式(5)：

f=fT/β

(5)

估算对应的信号的上升时间计算如式(6)：

t=0.35/f

(6)

运放的关键参数：输入输出轨到轨、增益带宽积50 MHz，压摆率SR为85 V/μs。

增益带宽积关注的的小信号，几十mV的信号；压摆率则关注大信号，上百mV、几V的信号。所以，在激光器驱动电路中，更加关注压摆率。压摆率限制了运放信号输出的最高变化速度。

激光器的驱动电流最大值为Icmax。三极管的放大倍数β取最小值250，则此时的基极电流Ib和运放的输出电压Vo同时达到最大值，计算公式如式(7)、式样(8)：

Ib=Icmax/β

(7)

Vo=Vb+R4Ib

(8)

则Vo的上升时间计算如式(9)：

T=Vo/SR

(9)

根据以上计算公式计算出支持的脉冲宽度可以到达1 μs以内。

式(4)中R2和系数k都不可变。这样，要改变激光器的输出光功率，只能想办法改变V+的电压。因为产品做好之后，电位器P1的阻值就固定了，只能改变MCU的I/O口输出的电压来改变V+，这就需要引入DAC控制，DAC的控制等效模型如图4所示。

图4 DAC等效模型

若电压输出范围是0.6～2.1 V，并且MCU内置的ADC和DAC共用一个参考电源Vref=3.3 V，ADC的利用率只有63%。如果Vref=2.5 V，则ADC的利用率可以提高到84%。这样可以提高ADC采集的信号的稳定性和精度。DAC的输出电压计算公式如式(10)：

V_dac_out=2.5×DAC/4 095

(10)

2 实验验证

2.1 不同温度下的电信号测量

在直流驱动激光器的条件下，测试激光器的输出光功率能否在高低温状态达到稳定状态，并且测试激光器驱动电流的变化情况。将产品置于高低温循环箱中，通电，控制产品分别在-20、25、70 ℃稳定至少30 min。在各温度点，使用万用表测量R1两端的电压V1和R2的对地电压V2并记录。分别计算LD的驱动电流V1/R1、PD的光电流V2/R2。预期结果：整个过程，PD的光电流基本不变，LD驱动电流随环境温度升高而增加。

试验结果如表1所示。

表1 不同温度对PD光电流的影响结果

整个过程中，PD的光电流变化了1 μA(0.5%)，说明当温度变化时，激光器的光功率没有发生明显变化，达到恒功率的控制效果，高温(70 ℃)时，激光器的驱动电流为21 mA，远小于规格书中的33 mA(5 mW、25 ℃)，很安全。激光器在直流模式下，温度从-20℃到70℃，达到了恒功率的控制效果，控制精度可以达到0.5%。

2.2 长期老化试验

激光器的长期稳定性会直接影响对距离的测量精度，测试激光器在高温(70 ℃)下长期工作的稳定程度。测试周期1个月，固定位移传感器的距离，调节积分时间使得上位机显示的接收信号没有饱和，然后固定积分时间测试，每天记录1组接收信号的波形数据,固定的测试条件如图5所示。

图5 固定的测试条件

试验结果：1个月的数据记录如图6所示，其中横轴代表时间，纵轴代表接收器信号强度。

图6 时间与接收信号强度的关系

数据分析：前两天的信号最强，后面信号整体偏弱；后面的信号不是单调降低，而是有一定的波动，可以表明，随着老化的进行，激光器为了位置光功率不降低，进行了调节。如果没有调节，随着老化的进行，接收信号会逐渐变弱。整个老化周期内，在固定积分的条件下，70 ℃，1个月，激光器的光功率波动<8%。

2.3 激光驱动电路的响应速度

测试激光模组的响应速度，探究激光模组能够稳定产生最窄的激光脉冲。试验方法：使用信号发生器生成方波直接驱动激光器，高电平2 V，低电平0 V，脉宽连续可调；激光器的PD端接反馈电阻(5.6 kΩ)，将PD的光电流信号转换成电压信号，便于观察。改变方波的脉冲宽度，使用示波器测量LD端(1)和PD端(2)的信号波形，并记录，如图7所示。

图7 响应速度测试方案

上电之后，信号发生器由于驱动能力不够，电压会被拉低。此时可以适当调高电压。但始终要用示波器监控LD两端的电压，保证不能超过2.5 V。测试结果如图8、图9所示。其中，上方波形的为LD两端的驱动信号；下方波形的为PD的反馈信号。从测试结果来看，激光模组能够输出的最窄的激光脉冲可以达到20 ns。

图8 脉冲宽度1 μs波形图

图9 脉冲宽度20 ns波形图

2.4 DAC对距离测量信号的改善效果

验证DAC调节对高反光物体下的接收信号的改善效果。测试方法：准备3种板卡：黑卡、白卡、金属(高亮)；同一款产品分别用固定电压和DAC可调电压对激光器进行驱动。2种模式下，控制产品到标靶的距离一样。调节DAC的数值并固定下来，使得接收信号尽量不要饱和。采用固定电压驱动激光器对于不同的目标物的接收情况如图10所示。

图10 固定电压驱动激光器时不同目标物的接收信号

可以看出，在固定电压状态下，当标靶为金属和白卡时，接收信号严重饱和，和黑卡的差异很大。最终会导致在同一位置，3种标靶测量出来的距离不一样。

采用DAC调节驱动激光器时不同目标物的接收信号情况如图11所示。

图11 采用DAC调节驱动激光器时不同目标物的接收信号

使用DAC之后，对于白卡和金属的过饱和现象，可以进一步减小DAC的电压，最终可以使得3种标靶下的接收信号的曲线接近。可以减小不同板卡下的测距误差。

通过使用DAC驱动激光器，可以有效解决白卡和金属标靶下接收信号的过饱和现象，实现了较宽的动态范围调整能力。

3 结束语

此激光驱动电路方案是针对三角激光测量系统特定要求设计的，采用了DAC调节、光功率监控和电流负反馈调整等技术，电路的成本低、体积小，温度从-20到70 ℃，达到了恒功率的控制效果，控制精度可以达到0.5%。70 ℃高温状态通电1个月，激光器的光功率波动<8%，输出的最窄的激光脉冲可达到20 ns，使得该电路方案具有极高商用价值，提升了三角激光测量系统的动态范围、稳定性和响应时间等，使得三角测量的精度和稳定性都得到了进一步改进。