自動增益控制迴路的製作方法
2023-06-04 17:23:46
專利名稱：自動增益控制迴路的製作方法
技術領域：
本發明涉及讀取條型碼用的雷射掃描系統，具體的說是涉及自動增益控制迴路，它能動態地自動調整接收機的增益，這種接收機是用來接收由條型碼反射的光線。
迄今為止如美國專利4，496，831號所展示的，典型的條形碼讀取系統一般包含光源、光學系統及檢測裝置幾個部分。光學系統包括聚焦透鏡，用於對光源發出的光束進行聚焦並瞄準條型碼進行掃描;檢測裝置用於檢測由掃描目標條型碼反射回來的光線。光源通常是半導體雷射二極體。光源產生的光束，通過光學系統聚焦後射在掃描目標上。在裝置的掃描頭部光路內安裝的掃描設備至少具備有一個掃描電機，它使雷射光束掃射在條型碼上。為了使光束通過出口孔瞄準記號，光反射鏡安裝在電動機的軸上。讀取裝置檢測由記號反射的光線並進行處理，它是由半導體光電二極體那樣的感光元件構成。檢測的光變換成電信號後輸給接收機，由接收機放大、處理並解碼。
現有的雷射掃描裝置中，為了對接收機的總增益進行動態調整，使用自動增益控制(「AGC」)。若在雷射掃描裝置中使用AGC的話，即使在雷射掃描裝置的接收機增益固定的情況下，對放在較遠距離的記號也能解碼。
現有的雷射掃描裝置中使用的AGC迴路，為了正確的調整接收機的總增益，必須進行多次掃描。這是由於AGC的反應時間決定於以下各種因素，即受掃描目標條型碼記號的形態、條型碼記號與掃描器的距離以及掃描器視野內存在的周圍光線的強度等因素決定的。AGC的反應時間依賴於周圍光線條件及掃描的條型碼記號，例如從幾百毫秒，到在極端的情況下也可能長達幾秒鐘的範圍內。這樣長的AGC反應時間，在百貨商場是可以見到的，會計員為了對商品上的條型碼記號進行解碼，使用手持式雷射掃描槍的情況就是這樣的。多數情況下，會計員為了得到正確的解碼，在同一記號上不得不進行反覆多次掃描。
使用於條型碼掃描裝置中的典型的AGC是根據監視，調整接收機的輸出信號的峰平均值來控制接收機的增益。從接收機的輸入到輸出為了得到大的總增益，安裝有幾個分離的串聯在一起的放大器。
AGC迴路感受到接收機的終端輸出，並調整接收機前置放大級中的一個放大器的增益。實際上，由接收機的輸出到可調整增益的一個放大器之間通過AGC迴路形成反饋電路。由於這一反饋電路，不論輸入信號的振幅如何變動，接收機的輸出均可以調整為一定的值。
由於AGC迴路檢測峰值並對輸出信號進行濾波，可以得到與接收信號的平均峰值成比例的直流(d.c.)電壓。將它與固定的d.c.參考電壓相比較，並動態地調整接收機的增益，以減少參考電壓與輸出直流電壓的差值。
由於AGC對輸出電壓在短時間，大的波動敏感的話會給接收機的增益帶來大的誤差，為了對這樣的波動無感應，則使用輸出電壓的平均峰值。例如，根據條型碼掃描器所接收的信號，有可能包含著挨著掃描條型碼包裝材料的反射光所產生的不希望有的輸出偏差，如果讀取輸出的平均峰值，AGC對於這些不希望存在的信號就不敏感了。在最不利的情況下，為了正確地決定接收機的輸出的平均峰值，直至達到AGC有穩定狀態的增益設定，就有必要讀取數個周期的輸入信號。在某些情況下，AGC為了得到最終的合適的接收機的增益設定，不得不花費很長時間。
對於給定的輸入，AGC要達到穩定狀態所需要的時間稱為「起動時間」。但是，在接收機只有單一的反饋電路時，要縮短AGC迴路的起動時間，穩定狀態輸出信號的振幅誤差就會增大。按照傳統，設計者承擔AGC的設計，提高精度和縮短起動時間相互矛盾的。這樣的設計結果，為了滿足系統所要求的精度，AGC就變成為低速的了。
AGC感應時間除受起動時間限制以外，還受到輸出信號內存在有大的低頻成分的限制。要擔心大的低頻成分會使輸出放大器飽和。輸出放大器一飽和，由於接收機設定增益，使用的輸出信號的高頻成分就被限幅(切去)。從而AGC的增益設定動作就無法實現。在極端的情況下，輸出放大器的飽和給接收機的增益設定帶來很大的誤差，因而，要擔心掃描記號的解碼失敗。
鑑於如述典型的AGC迴路的特徵及限制，使接受機達到穩定狀態的響應時間趨於惡化，強烈希望能有一種能迅速調整接收機的總增益的AGC迴路。因而，本發明的目的就在於提供一種自動增益迴路，使得能在很短的時間內解調信號。
本發明著眼在條型碼掃描系統的接收機的總增益能動態調整的自動增益控制迴路。本自動增益控制迴路，能使接收機在很短的時間內提供可能的解碼信號，隨之，接收機的響應時間能得到改善，從而，接收機的總增益得到迅速地調整。為了能得到迅速的調整，本自動增控制電路包括有另外的反饋電路，它接在接收機的末端放大器前面配置的放大器上。此放大器的輸出與接收機的末端輸出表示同樣的目標條型碼的接收信號，但振幅比末端輸出小。
接收機的附加反饋電路的起動時間是幾乎可以忽略不計的，可調整推測接收機的穩定狀態增益應有的形態，因而改善接收機的增益的調整速度。另外，附加反饋電路也感應使AGC的電子部件初期化而使用的d.c.信號。AGC-接近穩定狀態，附加的反饋電路就開始從AGC上斷開，由此，由接收機輸出的主反饋電路就能正確地對接收機的增益進行微調。
以下將詳細說明，由於本發明的AGC迴路改善了AGC感應時間，對於與由掃描器到條型碼的距離，在掃描器視野內存在的周圍光的強度，以及掃描信號條型碼記號的性質等諸因素有關的接收機的響應時間也得到更大的改善。除AGC響應時間的改善之外，本發明的AGC迴路在不犧牲精度的基礎上，更有效地動態調整接收機的總增益。
圖1是為控制雷射掃描系統接收機的增益而使用的一般的自動增益控制迴路10的框圖。這個框圖表示出在輸入信號(VIN)與輸出信號(VOUT)間只有單一的反饋電路。接收機至少具有分離的三級放大器16、18及20。AGC的動作不受接收機中使用的放大器的級數的限制。所用放大器的級數依賴於使用的各級放大器的極限增益以及根據用途要求定的接收機的最大增益。放大器18的電壓增益K1，及放大器20的電壓增益K2分別是固定的，只有放大器16的電壓增益K(Vg)是可變的，它受到誤差電壓信號22(Vg)的控制。
輸出信號14用反饋電路來檢測，反饋電路包括高通濾波器24、整流器26、峰值檢測器28、以及誤差放大器30(增益為K3)幾個部分。此AGC迴路具有以下功能接收機的輸出信號14通過高通濾波器濾波以後，濾去了其中的低頻成分，正是這些低頻成分妨礙接收機的增益得到適當的調整(由於掃描器周圍環境的光線也被接收為信號混在其中的原因)。高通濾波器的輸出包含著被掃描的條型碼的信號的交流成分(a.c.)。此信號經半波整流器26進行半波整流。構成峰值檢測器28的是AGC電容器34。整流器26的輸出對電容器34進行充電。AGC電容器34處於穩定狀態時，其充電電壓是與接收信號的峰值平均振幅成正比的直流電壓32。AGC的起動時間決定於AGC電容器的充電速度，而充電速度是由高通濾波器24的輸出阻抗和截止頻率決定的。使通過濾波器24的信號量最大，可以縮短AGC起動時間，但要犧牲其精度。起動時間的縮短可以通過降低濾波器24的截止頻率及降低輸出阻抗來達到。
根據AGC電容器34上存在的平均峰值電壓信號與固定的參考電壓36(Vr)，例如可以固定為1.2伏直流電壓，通過放大器30進行比較，就可動態的發生自動增益控制動作。本質上，放大器16的增益決定著接收機的總增益，這個調整是通過放大器30使電壓信號36和32的電壓差值成為最小值得到。表示此電壓差的偏差電壓信號22由放大器30輸出，用偏差電壓信號22來控制放大器16的反饋電路38的阻抗。為了調整增益值，將偏差電壓信號22輸入電晶體40輸入端，利用場效應電晶體40的特性，動態地控制其漏極42和源極44之間的阻抗。這個可以控制的阻抗並聯在反饋電路38內的電阻46上，從而，可以改變放大器16的增益k(Vg)。用偏差電壓信號22來自動的調整放大器16的增益，至於採用什麼方法都是可以的。例如本實施例中，使用的是作為電壓控制電阻動作的JFET(結型場效應電晶體)。使用其它型號的電晶體或者集成電路也可以得到同樣的增益調整。使放大器30的輸入存在的電壓差為最小值，以此來調整輸出信號14為一定的振幅。由於這樣的結構形式，使得輸出信號14不受輸入信號12變動的影響。
雖然已有的技術AGC迴路10是極正確的，但要使輸出信號14達到這個穩定狀態值就需要輸入信號12的許多周期。如前所述，這就成為反饋電路內的AGC電容器34充電速度慢的原因。因而，AGC對調整接收機為適當的增益，就要花費較長的時間。
圖2是本發明的自動增益控制迴路100的方框圖。如圖所示，其第一個循環110本質上和圖1所示的是完全相同的AGC迴路及接收機，為識別同一成分標上同樣的參照號碼。迴路100中值得注意的特點在於第2個循環70，這個循環用來檢測放大器18的輸出信號。這個附加的反饋為改善AGC的響應時間提供兩種功能。第一個功能是這個循環用參考電壓50(通過加法電路53)來感應直流電壓，使用這個直流電壓使AGC電容器34初期化充電。這個電壓給放大器30在其線性區域內加一偏置電壓，還有使電晶體40偏置於這個閾值電壓附近。電容器34初期化後在此電壓基礎上變化就能改變接收機的增益，實質上排除了AGC的「不感應時間」。
這個循環提供的第二個功能是用放大器18的輸出(通過加法電路53)給AGC的電容34充電。放大器18的輸出沒有進行濾波，電容器34可以無視起動時間進行充電。這個循環可以使接收機以極高的速度推定最後的增益狀態。
這個循環70帶來的附加優點是放大器18的輸出52的幅度比輸出14小，即使接收機14的最後輸出達到飽和時信號52也沒有被限幅，因而能較好表示出接收信號12。在大的低頻周圍信號接收後末端輸出14達到飽和的情況下，使用信號52使接收機的增益下降，因而使放大器20由飽和得到恢復。
在AGC電容器34上與第一反饋循環110一起又加上第2反饋循環70，在不降低穩定狀態增益設定的精度的條件下，改善了AGC的迴路100的總響應時間。由於接收機的增益達到穩定狀態前，第2循環70從AGC電容器34自動斷開，精度不受影響。AGC電容器34上的電壓-增加，接收機的增益下降，使得放大器18的輸出52的信號幅度減小，第2循環沒有使增益設定受到影響。由於AGC-達到穩定狀態，AGC電容器34上的電壓就被二極體54(D)斷開的緣故，第2反饋循環70就從AGC上斷開。二極體54的截止點對應於當它比穩定狀態只高出放大器20的增益K時接收機的增益的這一點。實際上，高速循環70，能在K的誤差範圍內，推定接收機的增益應有的狀態。一旦第2循環70從AGC電容34斷開之後，就由第1循環110對接收機的增益進行微調。
圖3是自動增益控制迴路100的另一實施例。在這個實施例中，由電容器56和電阻58組成為第2循環120內的高通濾波器，只有第2級輸出信號52的交流成分輸給AGC的電容器34上。任意選擇，用電阻99由參考電壓50對AGC電容器34進行初期化充電也可以。初期化電壓的大小由電阻99和58的組成的分壓電路來決定。電容器56和電阻58的組成原則是使其得到的截止頻率遠比第1循環110內使用的高通濾波器24的截止頻率低得多，按此原則來選擇電容器56和電58的值。由第2循環120中的高通濾波器濾波，只用第2級輸出信號52的交流成分加在AGC電容器34上的電壓作為其初期化充電。
圖2詳細表示的AGC迴路對應的自動增益控制迴路100的詳細電路圖如圖4所示。圖4的輸入電壓信號是由反向偏置的光電二極體60即接收機的光電傳感器部分得到的電壓信號經放大後而獲得的。光電二極體60作為光控制電流源而動作。光電二極體60的輸出電流加在接收機的放大器62上，並在放大器的輸出端顯示負電壓。接收機表示為由5級增益不同的運算放大器組成放大器串聯電路。由於各級具有幾乎相同的高頻及低頻特性曲線的斜率，各自約在27KHz及230Hz有高通及低通的3db點，得到敏銳的帶通濾波器。高通濾波使用交流連接用的電容器71，以達到各級放大器的交流連接。交流連接用電容器71阻止輸入信號12的直流成分通過、也阻止由掃描視野內帶來的低頻波動。低通濾波使用電容器72與各級放大器的反饋電阻並聯組成。對放大器的總增益進行動態調整，對應於圖2所示的放大器20，這裡為放大器66的輸出峰值波形維持在約為4V。如前所述，這個動態調整是靠放大器64的反饋電路內使用JFET電晶體40作為電壓控制可變電阻來達到的。電晶體40的源極44和漏極42間的電阻，從而決定放大器64的增益受到加在柵極43上的誤差電壓信號22的控制。這個誤差值決定於放大器30放大的電壓，即放大器30放大了輸出信號14經整流、濾波後的交流成分和固定的參考電壓36的差值而得的電壓。
圖2所示的高通濾波器24的組成成分在圖4中用電容器74和電阻76表示。使用電阻89是為了限制高通濾波器的輸出阻抗。在圖1，2及3中所示的峰值檢測器28的AGC電容器34與電阻78和80共同記憶放大器66穩定狀態輸出電壓14的平均峰值32。希望引起注意的是由電阻78及80形成AGC電容器34的放電電路，因而決定著自動增益控制的衰減時間。通常這些電阻值都極大，一般都以兆歐為單位。
AGC迴路的第2循環(圖2中的AGC迴路100)包含分壓電阻82及84和二極體54。如前所述，這個電路的使用是為了能迅速地將直流電壓記憶在AGC電容器34上。此直流電壓是由放大器18在圖4中即放大器65的輸出上存在的直流偏置電壓引出來的。而此偏置直流電壓是由放大器65的輸入的參考電壓50得到的。在電容器34上記憶的初期電壓使放大器30的輸出偏置在電晶體40的閾值電壓附近點，因此，實質上排除了AGC的「不感應時間」。由於放大器65輸出的交流成分也對AGC電容器34進行充電，因而改善了AGC的響應時間。放大器65的輸出與接收機輸出信號14是反相的(相差180°)，這也改善了響應時間。這是由於這個相位差使得由放大器65和66的輸出所表示的輸入信號12，以正的振動和負的振動共同對AGC電容器34進行充電的緣故。
圖4所示的本發明實施例的無源部件，有源部件的值、以及接收機內放大器的總數，請注意美國紐約州的「SymbolTechnologies」公司制的LS2000雷射掃描系統，它能合適地滿足特定系統所提出的要求。本發明的原理與教授，對於雷射掃描系統中使用的任何接收機裝置都能夠採用和適合。
本發明在圖5所示的手提式雷射掃描條型碼讀取裝置中也能夠得以實現。作為一個理想的實施例，讀取裝置200是手槍型裝置，它具有手柄153和可動板機154，讓槍筒對準要讀取的記號，扣動板機，光束151及檢測迴路就開始投入工作，因此，如果裝置是內藏電池型，可以延長電池的使用壽命。輕型塑料殼155內，裝入雷射光源、檢測器158，光路及信號處理電路、中央處理裝置CPU140以及電源即電池162等。外殼155的前端設置有透光性的窗口156，輸出光束151一射出來，反射光束152就有可能進入窗口。這個讀取裝置200設計成與記號離開一定的距離(即對於記號是非接觸式的)。或對記號沒有橫向運動的瞄準條型碼的裝置。典型的例子，這種型號的手提式條型碼讀取裝置在大約在數英寸範圍內操作，指定對記號作每秒36次的掃描。
圖5所示，掃描光束聚焦在適當的參考面上的條型碼記號上，使用適當的透鏡157來進行聚焦(或者是多個透鏡系統)。為了使光束射到透鏡157的光軸上，調整並決定半導體雷射二極體光源146的位置。光束通過半面可透光透鏡147及其他透鏡或者通過光束形成裝置，扣動板機154時接通掃描用電動機160，掃描電機上安裝有掃描鏡159，光束射到掃描鏡159上。如果光源146所產生的光是不可見光，則可以用光學系統來瞄準，假如有必要，可以將瞄準光固定下來。或者產生與雷射光束同樣的可見光掃描。使用可見光，使用者可以在扣動板機前，用讀取裝置來瞄準記號。
以上就本發明涉及到線形條型碼或者單線條型碼方面作了說明，但本發明不僅僅限於這類的實施例，還可以適用於比較複雜的掃描圖案，或者「標記49」以及類似的重疊型條型碼記號，或者是其他二維條型碼記號也可以適用。還可以考慮應用本發明的方法來識別如文字那樣的其他印記，或者感應掃描物體表面的特徵的信息，以此作成各種視覺機器，或者光學文字識別用裝置。
以上各種實施例的完成，由於掃描器的元件可以組裝在極精密的插件內，因此，掃描器可以製造成單塊印刷電路板或者裝成一體化的微型組件。這樣的微型組件可以在各種不同型號的數據採集系統中作為雷射掃描部件互換使用。例如，微型組件可以在上述手提式掃描器中使用，裝在柔性的手柄內，或者將桌子表面延伸，精心安裝在其中，或安裝在工作檯頂端的下側面，或者將比較精緻的數據採集系統的附件或附屬組裝體安裝在工作檯頂端掃描器內使用都是可以的。
微型組件最好包括以下部分，即包括安裝在支架上的雷射/光學組裝體、旋轉鏡或往復運動鏡等掃描用元件、光檢測部件等。為了能把微型插件和數據採集系統的其他部件的電路連通，可以在微型插件的端部或外面安裝插頭，將控制線或數據線連接在插頭上，以便與系統的其他部件的插座連接。
各微型插件各自有特定的掃描特性或者解碼特性，也可以用於某一作業距離，或者對特定的記號或印刷密度進行識別。這些特性，可以用插件附屬的控制開關手動設定，使用者為了對不同類型的物品進行掃描可以採用不同的數據採集系統，也可以通過使用電插頭交換數據採集系統的微型插件使系統適用於不同的應用範圍。
通過以上說明，掃描微型插件將在數據採集系統內實現是可能的，稱為內藏型數據採集系統。微型插件包括1個或1個以上的鍵盤、顯示器、數據儲存器、應用軟體以及資料庫等部件。這樣的系統包括加入調製解調裝置或者ISDN接口，或者可動的終端裝置到靜止的接收機之間用低功率無線電發送，可以讓數據採集系統和場(院)內的通訊網的其他部分進行通訊的通訊接口。
綜合以上所述各種特徵的2個或2個以上的特徵，應用於其他類型的掃描器或者是應用於讀取與上述不同的條型碼裝置都是有用的，這是顯而易見的，以上就令人滿意的實施例對本發明作了說明，實業家可以不脫離本發明的範圍而能改變形狀及局部，這也是很明顯的。
圖的簡要說明圖1為現有的自動增益控制迴路的方框圖。
圖2為本發明的自動增益控制迴路的方框圖。
圖3為本發明的自動增益控制迴路的第2實施例的方框圖。
圖4為本發明的自動增益控制迴路的線路圖。
圖5為雷射掃描槍簡圖。
符號說明10以前的自動增益控制迴路12輸入信號(VIN)14輸出信號(VOUT)16、18、20、放大器22誤差電壓信號(Vg)24高通濾波器26整流器28峰值檢測器30誤差放大器32平均峰值電壓34AGC電容器36參考電壓(Vr)38反饋
40電晶體42漏極43柵極44源極46、58、76、78、80、82、84、89、99電阻50直流參考電壓52放大器18的輸出信號53加法電路54二極體56、72、74電容器60光電二極體62、63、64、65、66放大器70、120第2反饋循環71聯接用電容100本發明的自動增益控制迴路110第1反饋循環140CPU中央處理裝置146光源147半面透光透鏡151光束152反射光153手柄154扳機155外殼157透鏡158檢測器159掃描鏡
160掃描用電動機162電池200讀取裝置
權利要求
1.包含有工作增益裝置且能使目標反射出光產生信號的光學裝置的接收機和有能動態調整工作增益的自動增益控制迴路，組成在能對上述目標進行反覆掃描的掃描裝置中，其特徵在於自動增益控制迴路包括能檢測信號並對上述工作增益進行自動調整的接收機中的第一反饋線路裝置及能檢測上述同一個信號並改善上述工作增益的調整速度的接收機中的第二反饋線路裝置。
2.根據權利要求1所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第2反饋線路裝置有能使上述工作增益在達到穩定狀態值為止前降低工作增益的裝置。
3.根據權利要求1所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第1反饋線路包括以下裝置把表示目標反射的光強度的接收機輸出信號進行濾波後提供交流成分的濾波裝置以及將上述交流成分整流後求取平均峰值電壓信號的整流裝置以及連結在整流裝置上並將上述平均峰值電壓信號的值保持下來的峰值檢測裝置。
4.根據權利要求3所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第2反饋電路包含有能縮短獲得平均峰值電壓信號所需要時間的裝置。
5.根據權利要求4所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於包含有對平均峰值電壓信號與固定的參考電壓的電壓差所表達的偏差電壓信號進行偏差修正的裝置及使上述偏差電壓信號變為最小而動態調整接收機增益的調整裝置。
6.根據權利要求5所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於它包含有讓第2反饋電路與第1反饋電路相互絕緣的絕緣裝置，由於第2反饋電路的偏差修正裝置的輸入端與第1反饋電路是共同的原因，因此在接收機的增益達到穩定狀態時需要將第2反饋電路與第1反饋電路相互絕緣。
7.根據權利要求6所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第2反饋電路包含對偏差修正電路的輸入進行初期化修正的裝置，其原理是利用與從目標反射光得到的信號無關的固定直流電壓。
8.根據權利要求6所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於接收機至少包含第1、第2、及第3三級串聯的放大器、第一反饋電路檢測上述第3級放大器的輸出，第2反饋電路檢測上述第2級放大器的輸出，第2級放大器接在第1級放大器和第3級放大器之間。
9.根據權利要求8所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於其第1級放大器具有可變增益控制。
10.根據權利要求9所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第1濾波裝置是高通濾波器。
11.根據權利要求10所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第1級放大器是運算放大器，它包含有由電壓控制來改變電阻的調整裝置。
12.根據權利要求11所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於電壓控制改變電阻的裝置是場效應電晶體。
13.根據權利要求12所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於絕緣裝置是半導體二極體。
14.根據權利要求13記載的自動增益控制迴路，其特徵在於第3級放大器的輸出和第2級放大器的輸出提供相位相反的輸出信號。
15.根據權利要求14所記載的自動增益控制迴路，其特徵在於其第1、第2、及第3級互相串聯的放大器是用電容器串聯耦合的。
全文摘要
本發明的目的在於因雷射掃描系統中為了接收由條形碼反射的光而使用了接收機，所以提供高速自動增益控制(AGC)迴路用於動態調整接收機的增益。本AGC迴路除檢測接收機的末級輸出之外，還包含有附加的反饋電路，它接在末級放大器的前一級放大器的輸出上。能檢測末端放大級前面的放大器的輸出信號，從而改善自動調整增益的速度，即第2反饋電路。使用本發明的自動增益控制迴路的掃描系統可以不必進行多次掃描而得到條形碼的解碼。
文檔編號G06K7/10GK1077038SQ9210211
公開日1993年10月6日 申請日期1992年4月1日 優先權日1992年4月1日
發明者傑米斯·R·吉爾伯 申請人:歐林巴斯光學工業株式會社