轮替式积分信号调理电路及轮替式积分信号调理方法与流程

本发明涉及光电信号检测与信号处理，特别涉及一种轮替式积分信号调理电路及轮替式积分信号调理方法。

背景技术：

1、在半导体光学量检测设备中，激光反射探测的光电信号通常极其微弱，且伴随着由背景光、电路热噪声及激光器自身波动引入的随机噪声。为了从强噪声背景中提取微弱的光电信号，积分电路被广泛采用。其物理本质是：光电信号在时域上相干累加，幅度随积分时间 t线性增长；而零均值随机噪声非相干累加，其均方根值仅随 t增长，因此积分过程能够有效提升光电信号的信噪比（snr），是微弱的光电信号提取的标准手段之一。

2、然而，对于光电信号的传统的积分信号调理电路存在明显不足。最常见的方案是采用单个积分器配合一个电子复位开关。光电探测器输出的光电流经跨阻放大器（tia）转换为电压信号后，送入积分器进行累积。当积分时间较长或入射光功率较大时，积分器的积分电容上的电压持续上升（或下降），极易达到运算放大器输出电压摆幅的极限，进入饱和状态。一旦运算放大器饱和，积分器便无法继续响应输入信号的变化，导致测量波形失真、动态范围严重受限。为解决饱和问题，现有技术通常采用周期性复位的方式，在积分电压达到预设阈值或固定时间后，闭合与积分电容并联的开关，将电容电荷瞬间泄放，使积分器回到初始状态。

3、然而，现有周期性复位方案存在复位死区，复位期间积分器停止响应，会造成信号不连续和信息丢失，开关噪声也会直接污染信号，每次复位引入的电荷注入等尖峰直接叠加在输出波形上，恶化微弱信号的信噪比。此外，因固定复位周期难以兼顾防饱和与高信噪比，还容易饱和且动态范围受限。复位过早或过迟均导致性能下降。缩短复位时间需高速放电，其有效积分时间与复位时间此消彼长。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种轮替式积分信号调理电路及轮替式积分信号调理方法，以解决现有光电信号的积分信号调理电路易发生积分饱和、存在复位死区及信噪比恶化的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种轮替式积分信号调理电路，其包括：时钟单元、采样单元及至少两个积分网络；所述时钟单元用于产生采样控制信号和积分控制信号；所述积分控制信号用于控制至少两个所述积分网络于积分状态和泄放状态间轮替变换；其中，所述积分控制信号对于所述积分网络的控制满足：在任一时刻均存在一个所述积分网络处于所述积分状态，其余所有所述积分网络均处于所述泄放状态；在所述积分网络处于所述积分状态时，用于接收和积分来自光电转换单元的光电信号；在所述积分网络处于所述泄放状态时，用于泄放所积累的能量；所述采样控制信号用于控制所述采样单元对结束所述积分状态的所述积分网络进行采样，以依次得到各所述积分网络对应的采样输出信号。

3、可选的，所述时钟单元用于产生至少两个所述积分控制信号，以分别对应控制至少两个所述积分网络；所述积分控制信号处于第一电平时，控制其对应的所述积分网络处于所述积分状态；至少两个所述积分控制信号的第一电平具有非重叠的连续相位轮替关系。

4、可选的，所述积分网络包括受控泄放开关，所述受控泄放开关的控制端接入对应的所述积分控制信号；所述积分控制信号处于第二电平时，控制所述受控泄放开关开通，以使对应的所述积分网络处于所述泄放状态；所述积分控制信号处于所述第一电平时，控制所述受控泄放开关关断，以使对应的所述积分网络处于所述积分状态。

5、可选的，所述轮替式积分信号调理电路包括至少两个所述采样单元，至少两个所述采样单元分别对应连接于至少两个所述积分网络的输出端；所述时钟单元用于产生至少两个所述采样控制信号，以分别对应触发至少两个所述采样单元轮替执行采样。

6、可选的，所述轮替式积分信号调理电路还包括多路复用器，至少两个所述积分网络的输出端分别连接至所述多路复用器的不同的输入端，所述多路复用器的控制端接入所述采样控制信号，所述多路复用器的输出端与所述采样单元连接；所述多路复用器用于在所述采样控制信号的控制下，选通结束所述积分状态的所述积分网络。

7、可选的，所述轮替式积分信号调理电路还包括多路复用器；所述积分网络包括积分器件；

8、所述多路复用器包含至少两路逻辑选择通道；每路所述逻辑选择通道包括两个输入端和一个输出端，两个所述输入端中择一与所述输出端连通；每路所述逻辑选择通道的一个所述输入端与所述输出端通过泄放电阻连接于一个所述积分网络的所述积分器件两端，另一个所述输入端高阻接地；

9、所述多路复用器的控制端接入所述积分控制信号，以控制各路所述逻辑选择通道的逻辑状态，其中在任一时刻仅存在一路所述逻辑选择通道处于所述输入端高阻接地与所述输出端连接的状态，其余所有所述逻辑选择通道均处于相反的状态。

10、可选的，所述积分网络包括有源积分器、全差分积分器或开关电容积分器。

11、可选的，所述轮替式积分信号调理电路还包括控制单元；

12、所述控制单元被配置为，设置低于所述采样单元量程的饱和预警阈值；获取最近多个采样周期内所述采样单元的所述采样输出信号；

13、若多个采样周期的所述采样输出信号的连续平均值达到所述饱和预警阈值，或者多个采样周期的所述采样输出信号的近期斜率上升，则判定存在饱和风险，控制所述时钟单元提高所述采样控制信号和所述积分控制信号的频率，或降低所述积分控制信号的占空比。

14、可选的，所述控制单元还被配置为，设置低于所述饱和预警阈值的微弱预警阈值，若多个采样周期的所述采样输出信号的连续平均值低于所述微弱预警阈值，控制所述时钟单元降低所述采样控制信号和所述积分控制信号的频率，或提高所述积分控制信号的占空比。

15、为解决上述技术问题，本发明还提供一种轮替式积分信号调理方法，其应用如上所述的轮替式积分信号调理电路以对光电信号进行积分调理，所述轮替式积分信号调理方法包括：

16、生成采样控制信号和积分控制信号；

17、通过所述积分控制信号控制至少两个积分网络于积分状态和泄放状态间轮替变换，并满足在任一时刻均存在一个所述积分网络处于所述积分状态，其余所有所述积分网络均处于所述泄放状态；处于所述积分状态的所述积分网络用于接收和积分来自光电转换单元的光电信号；处于所述泄放状态的所述积分网络用于泄放所积累的能量；

18、通过所述采样控制信号控制采样单元对结束所述积分状态的所述积分网络进行采样，以依次得到各所述积分网络对应的采样输出信号。

19、综上所述，在本发明提供的轮替式积分信号调理电路及轮替式积分信号调理方法中，所述轮替式积分信号调理电路包括：时钟单元、采样单元及至少两个积分网络；所述时钟单元用于产生采样控制信号和积分控制信号；所述积分控制信号用于控制至少两个所述积分网络于积分状态和泄放状态间轮替变换；其中，所述积分控制信号对于所述积分网络的控制满足：在任一时刻均存在一个所述积分网络处于所述积分状态，其余所有所述积分网络均处于所述泄放状态；在所述积分网络处于所述积分状态时，用于接收和积分来自光电转换单元的光电信号；在所述积分网络处于所述泄放状态时，用于泄放所积累的能量；所述采样控制信号用于控制所述采样单元对结束所述积分状态的所述积分网络进行采样，以依次得到各所述积分网络对应的采样输出信号。

20、如此配置，通过至少两个积分网络的轮替积分和泄放，每个积分网络在完成积分后，其积累的能量即被泄放，减少或避免了积累至饱和极限的风险，保证了在强信号或长时测量下的线性度和可靠性。积分输出的动态范围不再受运放输出摆幅的限制，显著拓展了有效测量动态范围。此外，至少两个积分网络的轮替接力工作，任何时候均有一个积分网络在积分，克服了传统单积分器复位期间的信号丢失的缺陷，实现了对输入信号的无间断累积，对快速波动光信号不会丢失任何瞬时信息。轮替的积分过程等效于低通滤波，对高频纹波和随机噪声具有天然抑制能力，可有效抵消背景直流分量和共模噪声，提升信噪比。