移動(dòng)機(jī)器人激光雷達(dá)感應(yīng)模塊的模擬前端設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))僅設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，我們可以將移動(dòng)機(jī)器人分為CPU板和感應(yīng)模塊兩大設(shè)計(jì)類別。雷達(dá)、激光雷達(dá)或超聲波接近應(yīng)用的感應(yīng)模塊等等都在移動(dòng)機(jī)器人上有著廣泛的應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人感應(yīng)模塊通常需要有如下幾個(gè)特點(diǎn)，一是需要具有集成或分立數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高速信號(hào)鏈，二是需要具備快速功率脈沖能力，這主要是針對(duì)一些需要主動(dòng)照明的傳感器，三則是感應(yīng)模塊與計(jì)算模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)高速低延遲通信。

以移動(dòng)機(jī)器人中最主流的激光雷達(dá)為例，在其感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)上，一般分為模擬前端、數(shù)字處理、非隔離DC/DC電源、有線接口、自我診斷/監(jiān)測(cè)以及信號(hào)輸入/輸出保護(hù)這幾個(gè)部分。這里我們主要關(guān)注模擬前端設(shè)計(jì)，看看在移動(dòng)機(jī)器人激光雷達(dá)感應(yīng)模塊里如何設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的模擬前端。

(移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，TI)

激光雷達(dá)感應(yīng)模塊中放大器如何選擇?

激光雷達(dá)感應(yīng)模塊首選的放大器肯定是高速運(yùn)算放大器(GBW>=50MHz)這一類。對(duì)于高速運(yùn)算放大器，我們考慮的肯定其帶寬、噪聲、精度。當(dāng)然小尺寸以及合適的電壓也是必需的。在基于TDC的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，可以使用雙極輸入的寬帶低噪聲運(yùn)算放大器配置為跨阻放大器(TIA)，增益帶寬積(GBWP)能夠以高達(dá)幾十千歐的跨阻增益實(shí)現(xiàn)高閉環(huán)帶寬。這種系統(tǒng)需要高速運(yùn)放有較低的噪聲，小于2.5nV/Hz的噪聲內(nèi)是很有必要的。更為常見的應(yīng)該是基于ADC的ToF激光雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將反射波形轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行處理和分析的數(shù)字信號(hào)，然后使用DSP或者FPGA處理通過(guò)ADC接收的波形信息。這類系統(tǒng)同樣需要TIA，跨阻增益的靈活配置能夠讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，另外為了光電二極管和TIA之間連接更高效，可以選擇裸片選項(xiàng)(如果高速運(yùn)算放大器可以提供裸片)來(lái)進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)尺寸。

另外，基于ADC的系統(tǒng)使用全差分放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)高速ADC的時(shí)候，全差分放大器的增益帶寬、轉(zhuǎn)換率、噪聲、偏移漂移也是需要注意的。

激光雷達(dá)感應(yīng)模塊中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器如何選擇?

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是很多性能優(yōu)異器件都離不開的組件，在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器更是重中之重，尤其是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。激光雷達(dá)感應(yīng)模塊通常會(huì)選取>10MSPS的高速ADC?；诟咚貯DC的測(cè)距應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的識(shí)別、更寬松的采樣率以及更簡(jiǎn)化的信號(hào)鏈。

激光雷達(dá)感應(yīng)模塊的高輸入頻率信號(hào)往往具有寬動(dòng)態(tài)范圍需求并且要求苛刻。從這個(gè)方向上去選取高速ADC是肯定不會(huì)錯(cuò)的。雙通道是最普遍的(也不是一定)應(yīng)該不需要過(guò)多糾結(jié)，分辨率在14位也比較常見的選擇。信噪比SNR，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR這種關(guān)鍵的指標(biāo)肯定是選擇時(shí)大家都會(huì)非常關(guān)注的，這直接影響到移動(dòng)機(jī)器人的感知水準(zhǔn)。

支持多種分頻的靈活輸入時(shí)鐘緩沖器是對(duì)于ADC自身來(lái)說(shuō)是很有用的，這樣時(shí)鐘輸入分頻器將給予系統(tǒng)時(shí)鐘架構(gòu)設(shè)計(jì)更高的靈活性。另外，如果ADC支持串行低壓差分信令LVDS，那更是錦上添花。支持串行低壓差分信令意味著可以大大減少接口線路的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度。功耗肯定是不能遺漏的一點(diǎn)，在ADC性能差不多的情況下，更低功耗的器件更受青睞，以目前在移動(dòng)機(jī)器人激光雷達(dá)模塊中較為常見的14位ADC為例，每個(gè)通道的功耗(最大采樣速率125MSPS時(shí))最低現(xiàn)在可以做到110mW左右，比這稍微高一些的功耗都是很不錯(cuò)的。

激光雷達(dá)感應(yīng)模塊中溫度傳感如何選擇?

這里涉及模擬溫度傳感和數(shù)字溫度傳感。模擬溫度傳感要盡可能實(shí)現(xiàn)與溫度成比例的高線性輸出電壓或電流，與此同時(shí)還要盡可能減少自發(fā)熱。精度上的要求自是不必多說(shuō)，肯定是越高越好，最好能夠不需要補(bǔ)償電路或校準(zhǔn)不然使用起來(lái)還是有些麻煩。在室溫下，整個(gè)傳感IC能提供<±3℃的精度是最好的，在整個(gè)工作溫度范圍的精度可以稍稍一些，一般來(lái)說(shuō)移動(dòng)機(jī)器人也不太會(huì)有在極端溫度下工作的場(chǎng)景。自發(fā)熱是限制得越低越好，目前領(lǐng)先的模擬溫度傳感IC能控制在0.2℃。

數(shù)字溫度傳感可以通過(guò)編程以幾種不同分辨率中的任意一種報(bào)告溫度從而優(yōu)化傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間和靈敏度，這個(gè)優(yōu)勢(shì)可以利用起來(lái)。如果是在通電后很快需要溫度數(shù)據(jù)，可以選擇測(cè)量時(shí)間快的數(shù)字溫度傳感，快到十幾毫秒內(nèi)就能讀取溫度。而且數(shù)字溫度傳感經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以感知非常小的溫度變化，如何選擇就看具體需求了。

小結(jié)

這里選取了一些常見的用于配置移動(dòng)機(jī)器人激光雷達(dá)感應(yīng)模塊的器件，在器件的選擇上給出了一些方向和考慮角度。具體的設(shè)計(jì)過(guò)程還是要針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做全局的考量，不管器件如何選型，高速信號(hào)鏈以及高速低延遲通信一直都是最為重要的。

原文標(biāo)題：機(jī)器人激光雷達(dá)模塊中器件如何選擇?

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審核編輯：湯梓紅