相位法激光測距的理論設(shè)計

1、相位法激光測距的設(shè)計電子工程學(xué)院詹雪嬌 2017110459史歌 2017110481第一章引言激光，是一種自然界原本不存在的，因受激而發(fā)出的具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性的光。物理學(xué)家把產(chǎn) 生激光的機理溯源到 1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出 的假說，即光的吸收和發(fā)射可經(jīng)由受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻 射三種基本過程1。所謂激光技術(shù)，就是探索開發(fā)各種產(chǎn)生激光的方法以及探索應(yīng)用激光的這些特性為人類造福的技術(shù)的總稱。30多年來，激光技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，利用激光技術(shù)不僅研制了各個特色的多種多樣的激光器，而且隨著激光應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，形成了激光唱盤唱機、激光醫(yī)療、激光加工、

2、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新興產(chǎn)業(yè)。激光技術(shù)的飛速發(fā)展，使其成為當(dāng)今新技術(shù)革命的先鋒！激光和普通光的根本不同在于它是一種有很高光子簡并度的光。光子簡并度可以理解為具有相同模式（或波型、位相、波長）的光子數(shù)目，即具有相同狀態(tài)的光子數(shù)目。這些特性使激光具有良好的準(zhǔn)直性及非常小的發(fā)散角，使儀器可進(jìn)行點對點的測量，適應(yīng)非常狹小和復(fù)雜的測量環(huán)境。激光測距儀就是利用激光良好的準(zhǔn)直性及非常小的發(fā)散角度來測量距離的一種儀器。激光在A、B兩點間往返一次所需時間為 t,則A、B兩點間距離D可表示為：D = c t/2,式中，c為光在大氣中傳播的速度。由于光速極快，對于一個不太大的D來

3、說,t是一個很小的量。如:假設(shè)D =15km, c = 3 x 105 km / s,則t = 5 X10- 5 s。由測距公式可知，如何精確測量出時 間t的值是測距的關(guān)鍵。由于測量時間t的方法不同，便產(chǎn)生了兩種測距方法：脈沖測距 和相位測距。其中相位測距更加精確1。第二章國內(nèi)外研究狀況相位式激光測距技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)60年代末，到80年代中期陸續(xù)解決了激光器件、光學(xué)系統(tǒng)及信號處理電路中的關(guān) 鍵技術(shù),80年代后期轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段，并研制出了各種不同用途 的樣機,90年代中期，各種成熟的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，預(yù)計近期將是其應(yīng) 用產(chǎn)品大發(fā)展的階段，在中、近程激光測距應(yīng)用方面有取代YAG激光的趨勢。隨

4、著激光技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用激光作精密光波測距系統(tǒng)的 光源，是現(xiàn)代測量儀器的一個顯著特點。據(jù)近年的資料，國外用于大地測量、 城市和工程測量的各類光電測距儀約15000多臺。其中，長程及中程各占1/4,短程測距儀 占1/2。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家已把各種激光測距儀紅外測距儀作為 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，裝備測量作業(yè)隊。近年來，中長程激光測距儀的技術(shù)發(fā)展有以下特點：（1 ）普遍采用He -Ne激光光源，功率為15mW; （2）普遍采用新 穎的高效調(diào)制器，如ADP（磷酸二氫銨NH4H2PO4）, KDP（磷酸二 氫鉀（KH2PO4）, KD*P（磷酸二氘鉀（KD2PO4）等；（3）向自動化 和數(shù)字化方向發(fā)展。中遠(yuǎn)程激光測距儀

5、的精度主要是受到比例誤差的限制，這是值得注意的。如美國的Geodolit-3G遠(yuǎn)程激光測距儀，其數(shù)字測相的分辨力達(dá)土mm3其固定誤差為土0.03mm,但它的比例誤差仍有 1 mm/km 2。為獲得測線的平均氣溫，氣壓、濕度誤差影響£ 1mm/km ,還需要用飛機沿測線作氣象測定，這對作業(yè)無疑是不方便的。對比之下，的測相03 mm分辨力，對于單色激光的遠(yuǎn)程測距，并不必需。短程的光波測距儀通常以砷化鎵半導(dǎo)體（GaAs）紅外波段激光源的紅外測距儀為主，實用上也有少量采用 He -Ne激光作光源。 這類儀器普遍在向自動化、數(shù)字化與小型化、一機多能的方向發(fā) 展。按儀器的功能可分為單測距儀器，測

6、角與測距相結(jié)合的儀器，測距、測角與計算三結(jié)合儀器（電子速測儀）及高精度的短程測距儀 這四類。單測距的儀器都采用強制歸心基座可與經(jīng)緯儀交替使用，以利于邊角測量和導(dǎo)線測量的實施，這類儀器也可采用激光光源。角、距結(jié)合的儀器有二種：一種是測距系統(tǒng)作為經(jīng)緯儀的附件，積木式裝在經(jīng)緯儀上，將自動測距與經(jīng)緯儀測角相結(jié)合直接為水平距離并能作坐標(biāo)差 Dx、Dy的計算.如DI-3及DI-3S;另一種能將自動測距與光學(xué)測微器讀數(shù)測角一并設(shè)計的整體型儀器，為光電測距經(jīng)緯儀，如SM11 2。測角、測距、計算三結(jié)合的儀器（如AG710）分主機和數(shù)據(jù)處 理二個部件。測角部分采用編碼度盤，角度和距離一樣都能自動數(shù) 字顯示。自動

7、歸算的功能包括自動計算水平距離、高差，自動進(jìn)行氣象修正以及自動算出相對于測站的待定點極坐標(biāo)，并能自動記錄在孔紙帶上。所以這類儀器又稱為電子速測儀。這類儀器的應(yīng) 用與普及，將使傳統(tǒng)的城市測量工程勘測、小區(qū)域的地形測量技術(shù)為之大大改觀，它把測距、測角、測高和計算在一臺儀器上結(jié)合起 來，從而在測站上僅幾秒鐘之內(nèi)就直接獲得測量點的坐標(biāo)，并利用穿孔紙帶為自動繪制地形圖、斷面圖迅速提供了大量的原始資 料。短程測距儀的精度主要是提高測相精度，因為這類儀器的測程多數(shù) 在12km之內(nèi)，相對遠(yuǎn)距離來說其比例誤差的影響不是 主要因素。短程測距儀的精度主要影響是固定誤差，而固定誤差中又是測相誤差占主要地位，因此，減少

8、測相誤差，是研制高精度短 程相位測距儀的關(guān)鍵。然而在一定的測相精度下，提高調(diào)制頻率是一個行之有效的措施。第三章相位法激光測距技術(shù)改進(jìn)方法設(shè)計相位法激光測距是利用發(fā)射的調(diào)制光與被測目標(biāo)反射的接收 光之間光強的相位差所含的距離信息來實現(xiàn)對被測目標(biāo)距離的測 量。由于采用調(diào)制和差頻測相技術(shù)，具有測量精度高的優(yōu)點，廣泛 用于有合作目標(biāo)的精密測距場合。激光相位式測距儀由于其測量 精度高而被廣泛地應(yīng)用于軍事、科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)等領(lǐng)域。相 位式測距儀的基本原理是通過測量連續(xù)調(diào)幅信號在待測距離上往 返傳播所產(chǎn) 生的相位延遲，來間接地測定信號傳播時間，從而求得 被測距離因此,信號相位測量的精度也就決定了激光測距儀

9、的精 度。測距儀相關(guān)檢測技術(shù)是信號檢測領(lǐng)域里一種重要工具，它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號，具有較強的抗噪聲的能力如同頻域里的譜分析一樣，時域里的相關(guān)分析幾乎在信號的所有領(lǐng) 域里都有應(yīng)用，例如圖像處理、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)及超聲探測、醫(yī)學(xué) 和通信工程等。在此本文設(shè)計一種新型的激光相位式測距儀，它將現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于測距系統(tǒng)，利用數(shù)字信號處理芯片的強大的數(shù)據(jù)運算功能，對采集的信號進(jìn)行數(shù)字相關(guān)運算，計算出測量信號與參考信號的相位差，繼而得到距離值。3.1 激光相位式測距的基本原理傳統(tǒng)的相位法激光測距機，為了提高測量精度，通常需要把激光 調(diào)制頻率提高到幾十兆甚至幾百兆；為了增大量程，通常把激

10、光調(diào)制頻率降低到幾兆甚至更低；為了提高測量相位的精度 ，通常把發(fā)射信號和回波信號與本振混頻進(jìn)行移相和鑒相測相。如要同時實 現(xiàn)高精度和大量程，則需要多組激光調(diào)制頻率 ，且隨著測量精度的 提高,調(diào)制頻率會不斷的提高，這些對電路性能要求會越來越高，電路的復(fù)雜度也會隨之增大，各個信號之間的串?dāng)_會隨之嚴(yán)重，這給高精度激光測距機的設(shè)計和制造帶來很大的困難。為了克服這些 困難,本文提出了一種把直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)與數(shù)字信號處理器(DSP)相結(jié)合的激光測距方法，利用DSP強大的實時信號處理的 特點和DDS器件能在一定帶寬內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的特點，只需把調(diào)制頻率限制在10兆赫茲以內(nèi)就可以達(dá)到很高的測量精度和很

11、大 的量程，而且在工作量提供了一定的理論設(shè)計。本文就其基本原理，系統(tǒng)框圖和誤差分析做詳細(xì)的論述。光以速度c在大氣中傳播，在 A、B兩點間往返一次所需時 間與距離的關(guān)系可表示為：L= ct/2。上式中L 待測兩點A、B間的直線距離；c 光在大 氣中傳播的速度；t 光往返A(chǔ)B 一次所需時間。由上式可知， 距離測量實質(zhì)是對光在 AB間傳播時間的測量。由于對時間測量 不夠精確，所以將對時間的測量轉(zhuǎn)化為對相位差的測量。相位差 的測量可以達(dá)到很高的精度，故而距離的測量也就達(dá)到了很高的 精度。激光測距是用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長換算此 相

12、位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需 的時間，如圖4.1所示。圖3.1測距相位示意圖Fig.4.1 range finder phase schematic drawing相位式激光測距一般應(yīng)用在精密測距中。由于其精度高 ，一般為毫米級，為了有效地反射信號，并使測定的目標(biāo)限制在與儀器精 度相稱的某一特定點上，對這種測距儀大多配置了被稱為合作目標(biāo) 的反射鏡。圖3.2為典型的模擬測相電路的原理圖 8:圖3.2模擬測相電路原理圖Fig. 3.2 the simulation measures the electric circuitschematic diagram為討論方便，這里

13、作如下假設(shè)：1) 設(shè)主頻率信號和參考頻率信號的初始相位為0 °。2) 測量的距離小于c2/ fs( 般稱為光尺)，這里c為光速，約等于300000000m/s , fs為調(diào)制頻率。3) 假設(shè)干擾噪聲為0。設(shè)主頻率信號 S1 = A cos ( wst ),參考頻率信號 S2 = Bcos(w ot ),且fs > f0 ,那么接收的信號應(yīng)該為R = Ccos ( ws +心。式中冷表示相位變化，那么經(jīng)過混頻器和低通濾波器的信號分 別為：E1 = Dcos ( ws - w o)t ,E2 = Ecos ( ws - wo)t + 切。最后由檢相電路來檢測相位差,即可得到時間差t

14、 = $/2 nfs，距離 L =c $/2 冗fs。3.2差頻測相技術(shù)3.2.1差頻測相基本原理23O相位式激光測距的核心就是測量反饋回路和接收回路兩路信 號的相位差，相位測量的誤差大小直接決定距離測量的精度 在實際的相位差測量中，要采用數(shù)據(jù)采集模塊對反饋和接收兩路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)米集，由于調(diào)制激光的調(diào)制信 號頻率高，數(shù)據(jù)采集要滿足奈奎斯特采樣定理，即對數(shù)據(jù)采集模塊的采樣頻率的要求就 很高，不利于數(shù)據(jù)采集。其次，相位變化與信號的頻率相關(guān)，即頻率越低，周期就越長， 相位變化所需要的時間就越長，更方便測量信號的相位，因此對于低頻信號的測相精度 要高于高頻信號的測相精度?；谏鲜鰞煞矫嬖?，需要把高頻

15、信號轉(zhuǎn)換成低頻信號且 轉(zhuǎn)換后的低頻信號的相位不變，進(jìn)而對低頻信號進(jìn)行相位差測量，這就是差頻測相。差 頻測相原理框圖如圖2.2所示信兮調(diào)理卜仁號調(diào)理本振信號主頻信號! I鑒數(shù)據(jù)采集一頻 昆;<-x. 頻 混圖3.3差頻測相原理圖調(diào)制激光的調(diào)制信號為主頻信號，設(shè)主頻信號為:£i)C) = 4)cos(f+%)本振信號為:£1（0=4 cos（2w+w）激光發(fā)射傳播一段距離后的接收信號為：E衛(wèi)（£）=冷cos（2吒f+2磯如+嗚）二心（x）s（2硏£ +鉗+ 卩）反饋信號經(jīng)過混頻電路后的信號為：弘（0 = Ao co4C/d -龍“ + （處-的）1接收

16、信號經(jīng)過混頻電路后的信號為：Eg （0 = Au cos2茬一広片+（處一的）+厶創(chuàng)由上式可知，混頻后的兩路信號的相位差與混頻前兩路信號的 相位差相同，這就是混頻電路只改變頻率而相位不改變的原理。 所以，在相位式激光測距系統(tǒng)電路中加入差頻測相，既可以保證 數(shù)據(jù)采集的便攜，又能提高距離測量的精度。322差頻測相電路差頻測相電路的實現(xiàn)，既可以使用模擬鑒相電路也可以使用數(shù)字測相電路。傳統(tǒng)的模擬鑒相電路存在體積大、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、天混頻伏號詢擁I心44AD 轉(zhuǎn)換敬字信號處接收信號用數(shù)字鑒相電路，數(shù)字鑒相電路結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高而得到廣 泛應(yīng)用。差頻數(shù)字測相結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖3.4數(shù)字測相結(jié)構(gòu)框圖數(shù)字測

17、相電路使用頻率合成器產(chǎn)生主頻和本振信號，經(jīng)過混頻后的信號通過A/D 采樣進(jìn)入數(shù)字信號處理器，把模擬信號的相位檢測轉(zhuǎn)換成數(shù)字測 相，并利用 DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力，完成兩路信號的相位計算，提高了相位測 量的精度和速度。數(shù)字測相電路測量精度高、實時性好。3.2.3數(shù)字鑒相方法數(shù)字鑒相使用計算機或者微處理器作為鑒相的核心單元，大大簡化了鑒相電路結(jié)構(gòu)，并且成本低廉，精度高，抗干擾能力強。常見的數(shù)字鑒相方法有相關(guān)分析鑒相法、向量內(nèi)積鑒相法、基于FFT數(shù)字鑒相法。(1 )相關(guān)分析鑒相法中，如果兩個信號分別為：久(0 =+ ff) + N、(f)f2(t) = Bsiii(dZ + 0 + + N?(f)

18、其中，$為兩信號的相位差，N i (t),N 2(t)表示噪聲信號。兩信號的相關(guān)函數(shù)為：1丁尺心)=亍.1討小+皿鑒相信號和噪聲信號是不相關(guān)的，且不同噪聲信號也是互不相關(guān)，因此可以得到：口小AS(0) = cos ip,2因此，可求得相位：2月=(0)<p= arccos匚AB根據(jù)自相關(guān)函數(shù)和信號幅值之間的關(guān)系，可得到如下關(guān)系式:A = 7 (0)因此兩信號相位差亦可表示為:=arccos恐(0)相關(guān)分析鑒相法的離散時間可表示為：尺(0) = 2 £ 龍 W10?)N粽1 W-1盡=不工無何五?|=0把上述公式可得到兩數(shù)字信號的相位差。(2) 向量內(nèi)積鑒相法的基本原理，內(nèi)積鑒相

19、法用于求一個信號與 初始相位為零的信號的相位差，向量內(nèi)積鑒相法是通過傅里葉變換推導(dǎo)出來的。其中n為采樣點數(shù)，fs為采樣頻率，則信號相位轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的相位為：審=arctn（3）基于FFT數(shù)字鑒相法原理就是首先對所求的兩個信號分別進(jìn)行FFT運算，分 別找到這兩個信號的主譜線，兩個信號主譜線所對應(yīng)的相位差就 是兩個信號的相位差2打2打w=丁皿）的+曲網(wǎng)r 9 -如3.3系統(tǒng)電路總體設(shè)計方案相位式激光測距系統(tǒng)原理框圖如圖所示。系統(tǒng)主要由控制模塊、鎖相環(huán)PLL時鐘發(fā)生模塊、激光發(fā)射與接收電路、光電流前端放大電路、自動增益控制模塊、混頻和選頻電路和數(shù)據(jù)采集及相位檢測組成。據(jù)集及位測 數(shù)采以相檢圖3.5

20、系統(tǒng)框圖控制器通過控制鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制激光的主頻信號，主頻調(diào)制信號與直流偏置疊加后驅(qū)動紅外激光二極管，激光器一部分光束直接反饋到 參考光電探測器，另外一部分光束發(fā)射并傳播一段距離后經(jīng)光電探測二極管接收，參考 信號和接收信號都經(jīng)過光電流放大電路、自動增益控制電路等信號調(diào)理電路使信號放大 經(jīng)過調(diào)理后的兩路信號均與本振信號進(jìn)行混頻濾波處理，獲得低頻信號，進(jìn)而對低頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相位計算。下面對系統(tǒng)的幾個主要組成部分作簡要描述。（1 ）調(diào)制信號發(fā)生器PLL調(diào)制信號發(fā)生器采用低噪聲、低抖動、雙鎖相環(huán)架構(gòu)的 時鐘發(fā)生器，可以有效的減小相位噪聲和時鐘抖動，從而改善距離測量的精度。主振 信號用于調(diào)

21、制激光器，本振信號用于混頻處理以便于數(shù)據(jù)采集。（2）激光器調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生的的主振信號經(jīng)過功率放大后，外加提供直 流偏置的驅(qū)動電路驅(qū)動紅外激光二極管產(chǎn)生調(diào)制光波，調(diào)制光波 遇到目標(biāo)物體后反射，光束反射至光電接收二極管，使光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號，完成光信號的解調(diào)。（3）自動增益控制電路由于光電轉(zhuǎn)換后的電信號特別微弱，且為了滿足之后的混頻 處理對輸入信號幅值的要求，在光電流信號方法之后，采用了自動增益控制電路，通過 調(diào)整其放大倍數(shù)使信號幅值滿足混頻電路的輸入要求。電路中通過改變電阻值來改變控制電壓端的控制電壓， 從而調(diào)整增益以滿足信號幅值的需求。(4) 混頻由于調(diào)制信號的頻率高，對采樣頻率要

22、求就很高，不利于數(shù) 據(jù)采集，因此為了獲得中頻信號，調(diào)制信號通過與本振信號混頻 濾波后獲得相位信息一致的中頻信號，便于數(shù)據(jù)采集。(5) 數(shù)據(jù)采集和相差計算兩路差頻信號經(jīng)過混頻、濾波、放大后由數(shù)據(jù)采集模塊對數(shù) 據(jù)采集，之后通過matlab 讀取采集到的數(shù)據(jù)，并在matlab 中編寫鑒相程序求得兩路信號的相位差，從而計算出距離。3.4電路設(shè)計指標(biāo)分析本文相位式激光測距系統(tǒng)電路設(shè)計指標(biāo)為：距離測量范圍為30m，實現(xiàn)測距精度2mm。根據(jù)公式可知，測距精度隨調(diào)制信號 頻率的增大而減小，并考慮到測量范圍以及測距最大不模糊距離 等因素，系統(tǒng)選擇 10MHz的主頻信號作為調(diào)制激光信號發(fā)射光 束。影響距離測量精度

23、有多方面因素，主要包括時鐘源信號抖動、硬件調(diào)理電路所帶來的相移變化、各電路模塊溫漂產(chǎn)生的相移變化、數(shù)據(jù)采集中采樣頻率量化精度造成的測相誤差等。系統(tǒng)電路設(shè)計 首先需要降低時鐘抖動對測距精度的影響，就必須選擇低抖動低 噪聲的時鐘源。10MHz 主頻信號下，想要達(dá)到系統(tǒng)要求的測距 精度，如果僅僅考慮時鐘抖動產(chǎn)生2mm的測距精度，根據(jù)相位式測距公式則可以推導(dǎo)出測距精度公式：血二卄匕旦丄芒_巴_222咲 2 2打（幾十Sf）式中，8f為時鐘抖動量化成頻率誤差。如果相位偏移誤差為零，測量距離為30m，因時鐘抖動產(chǎn)生 2mm誤差，需時鐘抖動產(chǎn)生的頻率誤差8f為667Hz的頻率誤差。如果時鐘抖動為零，貝U測距

24、精度跟相位偏移誤差有關(guān)，產(chǎn)生2mm 測距誤差，測量距離30m，則相位偏移最大不超過 0.024度。3.5本章小結(jié)本章詳細(xì)的闡述了相位式激光測距的基本原理、差頻測相技術(shù)和鑒相方法，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和電路組成部分。本系統(tǒng)主要包括時鐘產(chǎn)生 模塊，激光發(fā)射和接收模塊，信號調(diào)理模塊和相差檢測模塊，通過理論分析計算給出設(shè) 計指標(biāo)。第四章 鎖相環(huán)時鐘硬件電路設(shè)計系統(tǒng)采用美國TI公司的低抖動、低噪聲雙鎖相環(huán)架構(gòu)時鐘發(fā)生芯片LMK04010 ， 可以實現(xiàn)五路差分 2VPECL/LVPECL信號輸出，LMK04010 精密時鐘發(fā)生電路設(shè)計結(jié)構(gòu)主要框圖如圖3.5所示。其中電源部分采用 3.3V 電壓供電；C

25、LKinO、CLKinl 為 PLL1參考時鐘輸入，可支持高達(dá)400MHz 的頻率；u Wire header 接口可實現(xiàn)PC端與主控芯片之間通訊；Fout為VCO輸出，用來檢 測VCO輸出是否準(zhǔn)確，進(jìn)而判斷電路工作是否正常；OSCin端口的VCXO的最大頻率為250MHz ,OSCin輸入信號反饋到 PLL2的相位比較器上作為 PLL2的相位和頻率基準(zhǔn)，PLL2相位比較器的基準(zhǔn)時鐘輸入端還提供了一個可選用的倍頻器，可以降低PLL2的帶內(nèi)噪聲；PLL2內(nèi)部還集成了一個內(nèi)置的VCO,以及可供選擇的內(nèi)置環(huán)路濾波器件，可以對PLL2提供三階或四階環(huán)路濾波器。VCO輸出信號經(jīng)過 VCO分頻路由到內(nèi)部時

26、鐘總線上，并通過各通道的分頻器將信號獨立配置到所在通道上，5個輸出通道中每一個通道都有一個分頻器、延遲、輸出緩沖器，通過配置內(nèi)部16寄存器的值可以實現(xiàn)300k Hz到600MHz之間的頻率輸出。dkl lUtlr MKWGBt)uWareT紅FCCtkuMlIOSCincpwtlCL-KioDCLKu 訂pr 12讐粉入時忡=iFLLlJ4J«itE圖4.1時鐘硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計中，要求主振信號頻率為10MHz，本振信號頻率為 10.005MHz，然而實際的鎖相環(huán)時鐘電路只能產(chǎn)生相近的頻率，實際設(shè)計中產(chǎn)生的是主頻信號頻率為10.0087MHz ，本振信號的頻率為10.0146MH

27、z 。時鐘發(fā)生模塊電源使用 8.4V的鋰電池供電，由于時鐘芯片供電電壓為3.3y，因此使用 AMS111.7-3.3w .電源轉(zhuǎn)換芯片將8.4V電壓轉(zhuǎn)換成平時鐘輸入選擇的是CLKin1通道，采用信號，1 . ! ! 1 . 1C.MI» nKICK!/I8¥*1 mlm li-iTrnVahwvr*iI LJ.3BO.OCTO R#參考輸入時鐘的相位探測頻率 PDF 為：fpDF=61.44MHZ/120=512KHZ，且電 荷泵電流為0.08m A，PLL1經(jīng)過二階環(huán)路帶寬濾波器，其中窄帶濾波器帶寬為99Hz ,可以濾除參考輸入信號的絕大部分相位噪聲，有效減小了輸出信號的

28、時鐘抖動。實際電路中配置PLL2_N倍頻值為303，計算得到VCO輸出頻率為1241.088MHz 。同理，設(shè)置 PLL2中的R寄存器值為 85，N寄存器值為859，其他值均相等，則可得到10.0146MHz 的本振信圖4.2主頻信號10.0087MHz 波形圖圖4.3本振信號10.0146MHz 波形圖第五章 相位式激光測距硬件電路設(shè)計5.1相位式測距硬件電路總體設(shè)計相位式激光測距硬件電路基本原理框圖如圖5.1所示，硬件電路主要由激光調(diào)制與發(fā)射、光電接收放大、自動增益等信號調(diào) 理電路、混頻選頻模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理組成圖5.1相位式激光測距硬件電路基本原理框圖如圖鎖相環(huán)時鐘電路產(chǎn)生10.0

29、087MHz 的主頻調(diào)制信號，調(diào)制信號為電壓信號，而激光二極管為電流控制器件，因此必須使用 跨導(dǎo)運算放大器將電壓信號轉(zhuǎn)成電流信號調(diào)制激光器，激光二極 管是電流控制器件，需要一定大小的直流信號才能驅(qū)動激光發(fā)射 光束，直流信號與調(diào)制電流信號共同驅(qū)動激光器，發(fā)射攜帶調(diào)制 信號信息的紅外光束。對于參考信號和接收信號，采用兩路完全 一致的信號調(diào)理電路，設(shè)計的目的就是使兩路接收信號經(jīng)過調(diào)理 電路時能夠產(chǎn)生一致的相移，達(dá)到高精度的距離測量。信號經(jīng)過 各個電路模塊，電路周圍的電容電阻以及運放本身都會噪聲信號 有一定的相移，兩路信號相移不一致就會帶來很大的測相誤差， 造成距離測量的精度大大減小甚至達(dá)不到設(shè)計要求

30、。例如上述硬 件電路框圖中的自動增益控制電路，由于測量距離有遠(yuǎn)近之分， 近距離接收到的信號強而遠(yuǎn)距離傳播后接收到的信號就弱，因此 需要自動增益控制電路來保證輸入到混頻電路部分的不同距離的 信號幅度一致，直接反饋接收一路完全無需增加自動增益控制電 路，因為其直接接收到的信號強弱始終一樣，控制好后級放大電路的增益完全可以滿足混頻電路輸入信號幅度的要求，但是，考 慮到自動增益控制電路帶來的相移，使兩路相位改變不一致，因 此采用兩路完全一致的信號調(diào)理電路甚至光電放大及后級放大倍 數(shù)都一致，目的是為了減小因電路本身帶來的相移，提高系統(tǒng)的 測距精度，也就是設(shè)計成這種電路結(jié)構(gòu)的主要目的。另外，接收 電路各個

31、模塊部分實際應(yīng)該選擇雙路芯片，避免外部干擾而造成 一定相移，并大大減小電路體積大小以及功耗。但是，考慮到項 目處于初級研究階段，實際電路均選擇單運放及信號調(diào)理電路芯 片來測試系統(tǒng)電路的性能。經(jīng)過信號調(diào)理后的參考信號與測量信 號頻率很高，直接對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集比較困難，對采集電路要求 極高成本很大，因此需要將高頻信號降到低中頻段，需要混頻電 路來實現(xiàn)，系統(tǒng)中使用10.0146MHz 的本振信號分別與參考及接收主頻信號進(jìn)行混頻，混頻后為多頻率信號，需要通過選頻濾波網(wǎng)絡(luò)使低中頻信號（6k Hz ）通過而濾除高頻信號（20MHz），之后對兩路信號采集并對信號進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理得到兩信號相位差。以上就是硬件電

32、路設(shè)計的整體思 路及設(shè)計方案5.2激光調(diào)制發(fā)射電路本文考慮到相位式激光測距系統(tǒng)設(shè)計的要求，需要采用體積 小、轉(zhuǎn)換速率快、壽命長、可以直接調(diào)制的激光器，因此系統(tǒng)選 擇體積和能耗非常小的半導(dǎo)體激光器作為測距光源。系統(tǒng)選擇國 產(chǎn)的 BLLD-PFA2-D3110A-1GR尾纖式紅外半導(dǎo)體激光器，其回波損耗相當(dāng)?shù)?，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。激光二極管是電流控制器 件，因此需注入電流來激勵激光二極管。激光二極管均有其閾值 電流這一參數(shù)，當(dāng)注入激光器電流大于其閾值電流，激光器才能 被激勵而產(chǎn)生激光，當(dāng)注入電流持續(xù)增大時，輸出的激光亮度增 強，功率增大。激光二極管是極好的光電轉(zhuǎn)換器件，其量子效率 高，極小的電流變化

33、也會輸出很強的光，因此系統(tǒng)對激光二極管 驅(qū)動電流有很高的要求。在通常情況下，采用恒流驅(qū)動來驅(qū)動激 光二極管，可以利用負(fù)反饋來控制整個回路從而直接控制驅(qū)動電 流。課題中激光調(diào)制發(fā)射電路主要包括激光調(diào)制電路和直流偏置 電路。5.2.1激光調(diào)制電路本系統(tǒng)中，對激光二極管進(jìn)行直接振幅調(diào)制，激光二極管是電流控制器件，并且系統(tǒng)使用10.0087MHz的高頻調(diào)制信號必需使用高速跨導(dǎo)運算放大器將電壓調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成電流調(diào)制信號，選用高速運算跨導(dǎo)放大器OPA860實現(xiàn)把電壓信號轉(zhuǎn)成電流調(diào)制信號以調(diào)制紅外激光二極管，激光二極管調(diào)制電路原理圖如圖5.2所示。522直流偏置電路驅(qū)動激光二極管發(fā)射光束需要一定大小的直流信

34、號，只有當(dāng)流過激光二極管電流大于其閾值電流，激光器方可發(fā)射激光束，因此，需有直流偏置電路來驅(qū)動激光二極管。調(diào)制電流信號和直流偏置疊加后驅(qū)動紅外激光二極管，使用精密運算放大器OPA602 和PNP型三極管 MMBT3906 提供直流偏置來驅(qū)動半導(dǎo)體紅外激光二極管，運算放大器提供直流電壓，只需選用普通的低價格的器件足以滿足設(shè)計要求。直流偏置電路如圖5.3所示。精密運算放大器 OPA602同向輸入端接一個10k的電位器接到5V的電源上，調(diào)節(jié)滑動變阻器可以改變同向輸入端的電壓，根據(jù)運算放大器虛短的原理，U + =U-，電壓的變化可以控制三極管輸出電流的大小，這種控制電流電路結(jié)構(gòu)簡潔，PCB布局方便，大

35、大減小電路板體積，并且可以很方便的調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小，有利于電路的調(diào)試。考慮到紅外激光二極管的最大驅(qū)動電流，為避 免因調(diào)節(jié)電位器而產(chǎn)生過大的電流而燒掉紅外激光二極管，紅外 激光二極管的最大驅(qū)動電流為35m A，因此把 R74電阻值設(shè)定為200 Q,這樣即使通過調(diào)節(jié)電位器，三極管輸出最大電流為 25m A，不會因調(diào)節(jié)電流而燒掉紅外激光二極管。5.3光電子接收及其放大電路調(diào)制信號以激光為載波發(fā)射出去，發(fā)射后的光束一部分直接 反饋到內(nèi)部的光電探測器中，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后作為參考信號通過信 號調(diào)理電路。另一部分光束在尾纖中傳播一定距離后經(jīng)探測器把 光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并對微弱的電流信號進(jìn)行放大處理。5.3.

36、1光電流放大電路激光發(fā)射后的調(diào)制光束經(jīng)過PIN光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，微弱的電信號需光電流前端放大電路把電流信號轉(zhuǎn)換 成電壓信號。光電流放大電路選用的是ADI公司的低噪聲、1GHz Fast FET 運算放大器 ADA4817-1 ，它是一款高速、低失 真、低噪聲的運算放大器，主要應(yīng)用于光電二極管放大器、數(shù)據(jù) 采集前端、DC驅(qū)動器。該放大器有一個高速輸出級可以驅(qū)動高 負(fù)載，低噪聲、皮安級輸入電流使其特別適合與光電二極管前置 放大器。光電流放大電路原理圖如圖5.5所示，反饋電阻即 R45選擇2k的電阻值，對探測器轉(zhuǎn)換后的微弱電流信號放大2000倍，使輸出信號幅度達(dá)到40毫伏左右，并在 R

37、45上并聯(lián)一個0.5p F的電容，增加電容可以在環(huán)路傳輸中創(chuàng)建一個零點，能有 效的補償極點的影響并使信號的帶寬降低，使電路更加穩(wěn)定。芯 片電源端選擇電感加電容濾波，小容值去耦電容濾除高頻噪聲、 大容值濾除低頻噪聲，這種電源去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計可以大大減小電源 端的噪聲。輸出端接小電阻可以很好的匹配兩級運放，減小高頻 信號的反射，接電容可以濾除直流信號，防止直流信號對下級電 路造成影響，并且電容和下級電路輸入端接電阻可以構(gòu)成基本的 RC低通濾波器，提高信號質(zhì)量。、圖5.5光電流放大電路5.4信號調(diào)理電路設(shè)計根據(jù)探測器的回波功率這一參數(shù)，通常情況下 PIN光電二極管探測的回波功率與被測距離的平方成反比，因

38、此，測量的距離越大，探測器接收的光信號越小，經(jīng)過光電流轉(zhuǎn)換后的信號幅值 就越小。為滿足混頻電路輸入信號幅值的要求需要自動增益控制 電路（AGC）。信號調(diào)理電路主要包括自動增益控制電路和后級信 號放大電路，使信號幅值達(dá)到混頻電路輸入信號幅值要求。5.4.1自動增益控制電路自動增益控制電路就是根據(jù)輸入信號的大小自動的調(diào)節(jié)增益從而使輸出信號穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。本文采用TI公司的低噪聲、寬頻帶的可變增益放大器LMH6505，包含閉環(huán)輸入緩沖、電壓控制可變增益及輸出運算放大器。輸入緩沖是跨導(dǎo)級，它的 增益由電阻GR決定，輸出運算放大器增益通過反饋電阻FR來設(shè)定，最大增益 VMAXA 為GF RRK /，

39、其中 K為增益控制 系數(shù)。增益控制輸入引腳的控制電壓GV的范圍為0 2V，考慮到電路的簡潔以及成本，系統(tǒng)中通過電位器以及電阻外接到5V電源上，利用電阻分壓原理通過改變電位器的值來改變控制電壓 引腳的電壓值，從而控制運算放大器的放大倍數(shù)，直到輸出信號 滿足系統(tǒng)的要求。LMH6505 理論的增益計算公式為：% ih其中 K=0.94，N=1.01V，室溫下 Vc=79m V。本文設(shè)計的自動增益控制電路原理圖如圖5.8所示。系統(tǒng)電路設(shè)計中，Rf值設(shè)置為1.02k，Rg為340歐，則根據(jù)公式求得電路最大的放大倍數(shù)為2.82倍，電壓控制引腳外接一個5k的電位器串聯(lián)一個 5k電阻，之后并聯(lián)一個2k的電阻接

40、地，通過電阻分壓原理計算得到，電壓控制端的控制電壓范圍為 0.83 1.43V，根據(jù)公式計算求得自動增益可調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)范圍 為0.26 2.82倍之間。由于之后還有一級放大電路且放大倍數(shù) 為30倍，自動增益設(shè)置的調(diào)節(jié)范圍不大，使其可以壓縮信號， 以滿足混頻電路的輸入信號幅度要求。圖5.8自動增益控制電路5.4.2后級放大電路為了滿足混頻電路輸入信號幅值的要求（AD834輸入信號幅值為1V），如果僅有自動增益控制電路，放大倍數(shù)無法滿足要求，其次，參考信號和測量信號如果只通過自動增益放大，兩路信號 增益差會引入更大的相移，因此需要后級放大電路，使經(jīng)過自動 增益控制電路后的信號放大到1V左右。在設(shè)

41、計中，考慮到寬帶高速放大電路后級輸入端的分布電容，分布電容成為放大電路的容 性負(fù)載，很容易引發(fā)自激振蕩，因此，選用電流反饋型運算放大 器可以有效避免自激，其次，運算放大器輸出端串聯(lián)50 Q耦合電阻能夠很好的起到相位補償避免產(chǎn)生自激。系統(tǒng)后級放大電路選 擇AD公司800MHz , 50mW 電流反饋型運算放大器AD8001 ,系統(tǒng)后級放大電路原理圖如圖 4.11所示，由于經(jīng)過 AGC的信號 幅值為36 mV左右，為了滿足混頻輸入信號幅值的要求，通過選取電阻使放大倍數(shù)為30倍。實際電路測試中，輸出信號波形穩(wěn)定，幅值為 1.02V，滿足設(shè)計要求。圖5.11后級放大電路原理圖4.5混頻及選頻電路4.5

42、.1混頻和選頻電路設(shè)計調(diào)制信號的頻率高達(dá) 10MHz，高頻信號的采集、處理都對電 路有更高的要求，因此需要將高頻信號頻譜搬移至低中頻。常用 的技術(shù)就是混頻處理，混頻電路由混頻非線性器件及帶通濾波器 組成，常用的混頻器件有二極管、三極管、以及集成乘法器，其 中乘法器混頻效果最優(yōu)，混頻后頻率成分少，有極好的載波抑制 能力，結(jié)構(gòu)簡單，因此選用AD公司的500MHz 高速四象限模 擬乘法器AD834 ,其頻率響應(yīng)范圍為 500MHz ,乘法計算誤差小于0.5%，滿量程1V信號輸入，4m A差分電流輸出。當(dāng)采用單 端輸入方式時，如果信號源內(nèi)阻為 50 Q,則會在輸入端產(chǎn)生1.125 mV的失調(diào)電壓，為消除該失調(diào)電壓，可在另一個輸入端接一個 與信號源內(nèi)阻等值的電阻接地即可。系統(tǒng)混頻選頻電路原理圖如圖5.14所示。系統(tǒng)混頻輸入端的兩個信號頻率分別為10.0087MHz 和10.0146MHz 頻率的正弦波，經(jīng)過混頻電路后，頻率成分比較復(fù) 雜，而我們需要的是低頻信號，因此需要選頻電路使6k Hz信號通過而高頻信號被濾除。選頻電路選擇的是電壓傳輸函數(shù)大于1的無源RC帶通選頻電路，該