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1、相位法激光测距理论设计综合版相位法激光测距的设计电子工程学院 詹雪娇 2017110459 史歌 2017110481 - 1 -第一章引言激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有偏向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到 1917 年爱因斯坦说明黑体辐射定律时提出的假说，即光的汲取和放射可经由受激汲取、受激辐射和自发辐射三种根本历程 1 。所谓激光技能，就是探究开发种种产生激光的要领以及探究应用激光的这些特性为人类造福的技能的总称。30 多年来，激光技能得到突飞猛进的生长，利用激光技能不但研制了各个特色的多种多样的激光器，并且随着激光应用领域不绝
2、拓展，形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、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兴财产。激光技能的飞速生长，使其成为当今新技能革命的先锋！激光和一般光的底子差别在于它是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式(或波型、位相、波长)的光子数目,即具有相同状态的光子数目。这些特性使激光具有良好的准直性及特别小的发散角,使仪器可进行点对点的丈量,适应特别狭小和浩大的丈量状况。激光测距仪就是利用激光良好的准直性及特别小的发散角度来丈量距离的一种仪器。激光在 A、B 两点间来回一次所需时间为 t, 则 A、B 两点间距离 D 可体现为: D = ct /2,式中
3、, c 为光在大气中流传的速度。由于光速极快, 应付一个不太大的 D 来说, t 是一个很小的量。如:假设 D =15km, c = 3 ×10 5km / s,则 t = 5 ×10 - 5 s。由测距公式可知,如何精确丈量出时间 t 的值是测距的要害。由于丈量时间 t 的要领差别,便产生了两种测距要领:脉冲测距和相位测距。其中相位测距更加精确 1 。广东技能师范学院本科结业论文（相位法激光测距的理论设计） - 1 -其次章国内外探讨状况相位式激光测距技能的探讨起始于 20 世纪 60 年头末,到 80 年头中期接连解决了激光器件、光学系统及信号处理惩处电路中的要害技
4、能,80 年头后期转入应用探讨阶段,并研制出了种种差别用途的样机,90 年头中期,种种成熟的产物不绝出现,预料近期将是其应用产物大生长的阶段,在中、近程激光测距应用方面有取代 YAG 激光的趋势。随着激光技能的生长, 应用激光作精密光波测距系统的光源, 是现代丈量仪器的一个显著特点。据近年的资料, 外洋用于大地丈量、都市和工程丈量的种种光电测距仪约 15000 多台。其中, 长程及中程各占 1/4, 短程测距仪占 1/2。很多产业发达国度已把种种激光测距仪红外测距仪作为标准设备, 装备丈量作业队。近年来，中长程激光测距仪的技能生长有以下特点: （1）普遍实行 He -Ne 激光光源, 功率为
5、15mW; （2）普遍实行新奇的高效调制器, 如 ADP(磷酸二氢铵NH4H2PO4), KDP(磷酸二氢钾(KH2PO4), KD*P(磷酸二氘钾(KD2PO4)等；（3）向自动化和数字化偏向生长。中远程激光测距仪的精度主要是受到比例误差的限制, 这是值得留意的。如美国的 Geodolit-3G 远程激光测距仪, 其数字测相的辨别力达±0.03 mm, 其坚固误差为±0.03 mm, 但它的比例误差仍有 1 mm/km 2 。为得到测线的平均气温, 气压、湿度误差影响1mm/km， 还须要用飞机沿测线作气象测定, 这对作业无疑是不便利的。比拟之下, ±
6、;0.03 mm 的测相辨别力, 应付单色激光的远程测距, 并不必需。短程的光波测距仪通常以砷化镓半导体(GaAs)红外波段激光源的红外测距仪为主, 好用上也有少量实行 He -Ne 激光作光源。这类仪器普遍在向自动化、数字化与小型化、一机多能的偏向生长。按仪器的成果可分为单测距仪器, 测角与测距相结合的仪器, 测距、测角与盘算三结合仪器(电子速测仪)及高精度的短程测距仪这四类。单测距的仪器都实行强制归心基座可与经纬仪瓜代运用, 以利于边角丈量和导线丈量的实施, 这类仪器也可实行激光光源。角、距结合的仪器有二种: 一种是测距系统作为经纬仪的附件, 积木式装在经纬仪上, 将自动测距与经纬仪测角相
7、结合干脆为水平距离并能作坐标差 Dx、Dy 的盘算. 如 DI-3 及 DI-3S; 另一种能将自动测距与光学测微器广东技能师范学院本科结业论文（相位法激光测距的理论设计）- 4 -读数测角一并设计的整体型仪器, 为光电测距经纬仪,如 SM11 2 。测角、测距、盘算三结合的仪器(如 AG710)分主机和数据处理惩处二个部件。测角部分实行编码度盘, 角度和距离一样都能自动数字显示。自动归算的成果包罗自动盘算水平距离、高差, 自动进行气象修正以及自动算出相应付测站的待定点极坐标, 并能自动记录在孔纸带上。所以这类仪器又称为电子速测仪。这类仪器的应用与普及, 将使传统的都市丈量工程勘测、小区域的地
8、形丈量技能为之大大变动, 它把测距、测角、测高和盘算在一台仪器上结合起来, 从而在测站上仅几秒钟之内就干脆得到丈量点的坐标, 并利用穿孔纸带为自动绘制地形图、断面图快速供应了大量的原始资料。短程测距仪的精度主要是提高测相精度, 因为这类仪器的测程多数 在 12km 之内, 相对远距离来说其比例误差的影响不是主要因素。短程测距仪的精度主要影响是坚固误差, 而坚固误差中又是测相误差占主要职位, 因此, 淘汰测相误差, 是研制高精度短程相位测距仪的要害。然而在肯定的测相精度下, 提高调制频率是一个行之有效的步伐。广东技能师范学院本科结业论文（相位法激光测距的理论设计） - 6 -第三章 相位法激光测
9、距技能改造要领设计 相位法激光测距是利用放射的调制光与被测目标反射的汲取光之间光强的相位差所含的距离信息来实现对被测目标距离的丈量。由于实行调制和差频测相技能, 具有丈量精度高的优点, 遍及用于有相助目标的精密测距场合。激光相位式测距仪由于其丈量精度高而被遍及地应用于军事、科学技能、生产建立等领域。相位式测距仪的根本原理是通过丈量连续调幅信号在待测距离上来回流传所产 生的相位延迟,来间接地测定信号流传时间,从而求得被测距离. 因此,信号相位丈量的精度也就确定了激光测距仪的精度6 。测距仪相关检测技能是信号检测领域里一种重要东西,它能在低信噪比的状况下提取出有用的信号,具有较强的抗噪声的实力,犹
10、如频域里的谱阐发一样,时域里的相关阐发险些在信号的全部领域里都有应用,例如图像处理惩处、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等。在此本文设计一种新型的激光相位式测距仪,它将现代数字信号处理惩处技能应用于测距系统,利用数字信号处理惩处芯片的强大的数据运算成果,对收罗的信号进行数字相关运算,盘算出丈量信号与参考信号的相位差,继而得到距离值。3 1激光相位式测距的根本原理 传统的相位法激光测距机,为了提高丈量精度,通常须要把激光调制频率提高到几十兆甚至几百兆；为了增大量程,通常把激光调制频率低落到几兆甚至更低;为了提高丈量相位的精度,通常把放射信号和回波信号与本振混频进行移相和鉴相测相。如要同时
11、实现高精度和大量程,则须要多组激光调制频率,且随着丈量精度的提高,调制频率会不绝的提高,这些对电路性能要求会越来越高,电路的浩大度也会随之增大,各个信号之间的串扰会随之严峻,这给高精度激光测距机的设计和制造带来很大的困难。为了克服这些困难,本文提出了一种把干脆数字合成(DDS)技能与数字信号处理惩处器(DSP)相结合的激光测距要领,利用 DSP 强大的实时信号处理惩处的特点和 DDS 器件能在肯定带宽内产生随意频率的特点,只需把调制频率限制在10兆赫兹以内就可以到达很高的丈量精度和很大的量程,并且在事情量供应了肯定的理论设计 6 。本文就其根本原理, 系统框图和误差阐发第四章 数字相关检测技能
12、改造要领设计- 7 -做具体的论述。光以速度 c 在大气中流传，在 A、B 两点间来回一次所需时间与距离的干系可体现为：L= ct/2。上式中 L 待测两点 A、B 间的直线距离；c 光在大气中流传的速度；t 光来回 AB 一次所需时间。由上式可知，距离丈量实质是对光在 AB 间流传时间的丈量。由于对时间丈量不敷精确，所以将对时间的丈量转化为对相位差的丈量。相位差的丈量可以到达很高的精度，故而距离的丈量也就到达了很高的精度 7 。激光测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光来回一次所产生的相位延迟,再凭据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离。即用间接要领测定出光经来回测线所
13、需的时间,如图 4.1 所示。图 3.1 测距相位示意图 Fig.4.1 range finder phase schematic drawing 相位式激光测距一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效地反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪大多配置了被称为相助目标的反射镜。图 3.2 为典范的模拟测相电路的原理图 8 ：- 19 -图 3.2模拟测相电路原理图 Fig. 3.2 the simulation measures the electric circuit schematic diagram 为探讨便利,这里作如下假设：1)设主频
14、率信号和参考频率信号的初始相位为 0°。2) 丈量的距离小于c2/ f s (一般称为光尺) ，这里c 为光速，约便是300000000m/s , f s 为调制频率。3) 假设滋扰噪声为 0。设主频率信号 S 1= A cos ( wst ) , 参考频率信号 S 2= Bcos ( w t ) , 且 f s> f 0, 那么汲取的信号应当为 R = Ccos ( ws +φ) 。式中:φ体现相位变革,那么经过混频器和低通滤波器的信号分别为：E1 = Dcos ( ws - w )t ,E2 = Ecos ( ws - w )t +φ。最终由检相电路来
15、检测相位差φ, 即可得到时间差 t =φ/2πfs，距离 L =cφ/2πfs。3.2 差频测相技能 能 3.2.1 差频测相根本原理 相位式激光测距的核心就是丈量反馈回路和汲取回路两路信号的相位差，相位丈量的误差巨细干脆确定距离丈量的精度 23 。在实际的相位差丈量中，要实行数据收罗模 块对反馈和汲取两路信号进行数据收罗，由于调制激光的调制信号频率高，数据收罗要 满意奈奎斯特采样定理，即对数据收罗模块的采样频率的要求就很高，倒霉于数据收罗。其次，相位变革与信号的频率相关，即频率越低，周期就越长，相位变革所须要的时间 就越长，更便利丈量信号的相位，因此应付低
16、频信号的测相精度要高于高频信号的测相 精度。基于上述两方面缘由，须要把高频信号转换成低频信号且转换后的低频信号的相 位稳定，进而对低频信号进行相位差丈量，这就是差频测相。差频测相原理框图如图 2.2 所示。- 20 - 调制激光的调制信号为主频信号，设主频信号为：本振信号为：激光放射流传一段距离后的汲取信号为：反馈信号经过混频电路后的信号为：汲取信号经过混频电路后的信号为：由上式可知，混频后的两路信号的相位差与混频前两路信号的相位差相同，这就是混频电路只变更频率而相位不变更的原理。所以，在相位式激光测距系统电路中参与差频测相，既可以包管数据收罗的便携，又能提高距离丈量的精度。3.2.2 差频测
17、相电路 图 3.3 差频测相原理图- 19 -差频测相电路的实现，既可以运用模拟鉴相电路也可以运用数字测相电路。传统的模拟鉴相电路存在体积大、电路结构浩大、功耗大、运用未便捷等缺点，因此，现代激光测距的鉴相大多实行数字鉴相电路，数字鉴相电路结构简洁，丈量精度高而得到遍及应用。差频数字测相结构框图如图所示。 图 3.4 数字测相结构框图 数字测相电路运用频率合成器产生主频和本振信号，经过混频后的信号通过 A/D采样进入数字信号处理惩处器，把模拟信号的相位检测转换成数字测相，并利用 DSP强大的数据处理惩处实力，完成两路信号的相位盘算，提高了相位丈量的精度和速度。数字测相电路丈量精度高、实时性好。
18、3.2.3 数字鉴相要领 数字鉴相运用盘算机也许微处理惩处器作为鉴相的核心单位，大大简化了鉴相电路结 构，并且本钱低廉，精度高，抗滋扰实力强。常见的数字鉴相要领有相关阐发鉴相法、 向量内积鉴相法、基于 FFT 数字鉴相法。（1）相关阐发鉴相法中，假如两个信号分别为： 其中，φ为两信号的相位差， N 1 (t),N 2 (t)体现噪声信号。两信号的相关函数为：- 20 -鉴信任号和噪声信号是不相关的，且差别噪声信号也是互不相关，因此可以得到：因此，可求得相位： 凭据自相关函数和信号幅值之间的干系，可得到如下干系式： 因此两信号相位差亦可体现为： 相关阐发鉴相法的离散时间可体现为： 把上述
19、公式可得到两数字信号的相位差。（2）向量内积鉴相法的根本原理，内积鉴相法用于求一个信号与初始相位为零的 信号的相位差，向量内积鉴相法是通过傅里叶变更推导出来的。其中 n 为采样点数，fs 为采样频率，则信号相位转换成数字信号的相位为： （3）基于 FFT 数字鉴相法原理就是首先对所求的两个信号分别进行 FFT 运算，分 别找到这两个信号的主谱线，两个信号主谱线所对应的相位差就是两个信号的相位差。- 19 -3.3 系统电路总体设计方案 相位式激光测距系统原理框图如图所示。系统主要由限制模块、锁相环 PLL 时 钟产生模块、激光放射与汲取电路、光电流前端放大电路、自动增益限制模块、混频和 选频电
20、路和数据收罗及相位检测组成。图 3.5 系统框图 限制器通过限制锁相环时钟产生器产生调制激光的主频信号，主频调制信号与直流 偏置叠加后驱动红外激光二极管，激光器一部分光束干脆反馈到参考光电探测器，另外 一部分光束放射并流传一段距离后经光电探测二极管汲取，参考信号和汲取信号都经过 光电流放大电路、自动增益限制电路等信号调治电路使信号放大。经过调治后的两路信 号均与本振信号进行混频滤波处理惩处，得到低频信号，进而对低频信号进行数据收罗和相 位盘算。下面对系统的几个主要组成部分作扼要描述。（1）调制信号产生器 调制信号产生器实行低噪声、低抖动、双锁相环架构的 PLL 时钟产生器，可以有 效的减小相位
21、噪声和时钟抖动，从而改进距离丈量的精度。主振信号用于调制激光器， 本振信号用于混频处理惩处以便于数据收罗。（2）激光器调制 信号产生器产生的的主振信号经过功率放大后，外加供应直流偏置的驱动电路驱动红外激光二极管产生调制光波，调制光波遇到目标物体后反射，光束反射至光电汲取二 极管，使光信号转换成微弱的电流信号，完成光信号的解调。（3）自动增益限制电路- 20 -由于光电转换后的电信号特殊微弱，且为了满意之后的混频处理惩处对输入信号幅值的 要求，在光电流信号要领之后，实行了自动增益限制电路，通过调解其放大倍数使信号 幅值满意混频电路的输入要求。电路中通过变更电阻值来变更限制电压端的限制电压， 从而
22、调解增益以满意信号幅值的需求。（4）混频 由于调制信号的频率高，对采样频率要求就很高，倒霉于数据收罗，因此为了得到中频信号，调制信号通过与本振信号混频滤波后得到相位信息一样的中频信号，便于数据收罗。（5）数据收罗和相差盘算两路差频信号经过混频、滤波、放大后由数据收罗模块对数据收罗，之后通过matlab 读取收罗到的数据，并在 matlab 中编写鉴相步伐求得两路信号的相位差，从而盘算出距离。3.4 电路设计指标阐发 本文相位式激光测距系统电路设计指标为：距离丈量范畴为 30m，实现测距精度2mm。凭据公式可知，测距精度随调制信号频率的增大而减小，并考虑到丈量范畴以及测距最大不模糊距离等因素，系
23、统选择 10MHz 的主频信号作为调制激光信号放射光束。影响距离丈量精度有多方面因素，主要包罗时钟源信号抖动、硬件调治电路所带来的相移变革、各电路模块温漂产生的相移变革、数据收罗中采样频率量化精度造成的测相误差等。系统电路设计首先须要低落时钟抖动对测距精度的影响，就必需选择低抖动低噪声的时钟源。10MHz 主频信号下，想要到达系统要求的测距精度，假如仅仅考虑时钟抖动产生 2mm 的测距精度，凭据相位式测距公式则可以推导出测距精度公式： 式中，δf 为时钟抖动量化成频率误差。假如相位偏移误差为零，丈量距离为 30m，因 时钟抖动产生 2mm 误差，需时钟抖动产生的频率误差 &delt
24、a;f 为 667Hz 的频率误差。假如时 钟抖动为零，则测距精度跟相位偏移误差有关，产生 2mm 测距误差，丈量距离 30m，- 19 -则相位偏移最大不凌驾 0.024 度。3.5 本章小结 本章具体的论述了相位式激光测距的根本原理、差频测相技能和鉴相要领，提出了 系统的总体设计方案和电路组成部分。本系统主要包罗时钟产生模块，激光放射和汲取 模块，信号调治模块和相差检测模块，通过理论阐发盘算给出设计指标。- 20 -第四章锁相环时钟硬件电路设计系统实行美国 TI 公司的低抖动、低噪声双锁相环架构时钟产生芯片 LMK04010， 可以实现五路差分 2VPECL/LVPECL 信号输出，LMK
25、04010 精密时钟产生电路设计结构主要框图如图 3.5 所示。其中电源部分实行 3.3V 电压供电；CLKin0、CLKin1 为 PLL1参考时钟输入，可支持高达 400MHz 的频率；u Wire header 接口可实现 PC 端与主控芯片之间通讯；Fout 为 VCO 输出，用来检测 VCO 输出是否精确，进而推断电路事情是否正常；OSCin 端口的 VCXO 的最大频率为 250MHz，OSCin 输入信号反馈到 PLL2 的相位比力器上作为 PLL2 的相位和频率基准，PLL2 相位比力器的基准时钟输入端还供应了一个可选用的倍频器，可以低落 PLL2 的带内噪声；PLL2 内部还
26、集成了一个内 置的 VCO，以及可供选择的内置环路滤波器件，可以对 PLL2 供应三阶或四阶环路滤 波器。VCO 输出信号经过 VCO 分频路由到内部时钟总线上，并通过各通道的分频器将 信号独立配置到所在通道上，5 个输出通道中每一个通道都有一个分频器、延迟、输出 缓冲器，通过配置内部 16 寄存器的值可以实现 300k Hz 到 600MHz 之间的频率输出。 图 4.1 时钟硬件电路设计 本系统设计中，要求主振信号频率为 10MHz，本振信号频率为 10.005MHz ，然而实际的锁相环时钟电路只能产生相近的频率，实际设计中产生的是主频信号频率为 10.0087MHz，本振信号的频率为 1
27、0.0146MHz。时钟产生模块电源运用 8.4V 的锂电池供电，由于时钟芯片供电电压为 3.3V，因此运用 AMS1117-3.3 电源转换芯片将 8.4V电压转换成 3.3V 给时钟芯片供电。参考时钟输入选择的是 CLKin1 通道，实行 61.44MHz- 19 -的温控晶振作为作为 PLL1 参考输入时钟信号，PLL1 的 R 分频器设置为 120，则 PLL1 的相位探测频率 PDF 为: f PDF =61.44MHZ/120=512KHZ，且电荷泵电流为 0.08m A，PLL1经过二阶环路带宽滤波器，其中窄带滤波器带宽为 99Hz，可以滤除参考输入信号的绝大部分相位噪声，有效减
28、小了输出信号的时钟抖动。实际电路中配置 PLL2_N 倍频值为 303，计 算 得 到 VCO 输 出 频 率 为 1241.088MHz。同理，设置 PLL2 中的 R 寄存器值为 85，N 寄存器值为 859，其他值均相等，则可得到 10.0146MHz 的本振信号。图 4.2 主频信号 10.0087MHz 波形图图 4.3 本振信号 10.0146MHz 波形图- 20 -第五章相位式激光测距硬件电路设计5.1 相位式测距硬件电路总体设计 相位式激光测距硬件电路根本原理框图如图 5.1 所示，硬件电路主要由激光调制与放射、光电汲取放大、自动增益等信号调治电路、混频选频模块、数据收罗及数
29、据处理惩处组成。图 5.1 相位式激光测距硬件电路根本原理框图如图锁相环时钟电路产生 10.0087MHz 的主频调制信号，调制信号为电压信号，而激光二极管为电流限制器件，因此必需运用跨导运算放大器将电压信号转成电流信号调制激光器，激光二极管是电流限制器件，须要肯定巨细的直流信号才华驱动激光放射光束，直流信号与调制电流信号协作驱动激光器，放射携带调制信号信息的红外光束。应付参考信号和汲取信号，实行两路完全一样的信号调治电路，设计的目的就是使两路汲取信号经过调治电路时能够产生一样的相移，到达高精度的距离丈量。信号经过各个电路模块，电路四周的电容电阻以及运放自己都市噪声信号有肯定的相移，两路信号相
30、移不一样就会带来很大的测相误差，造成距离丈量的精度大大减小甚至达不到设计要求。例如上述硬件电路框图中的自动增益限制电路，由于丈量距离有远近之分，近距离汲取到的信号强而远距离流传后汲取到的信号就弱，因此须要自动增益限制电路来包管输入到混频电路部分的差别距离的信号幅度一样，干脆反馈汲取一路完全无需增加自动增益限制电路，因为其干脆汲取到的信号强弱始终一样，限制好后级放大电路的增益完全可以满意混频电路输入信号幅度的要求，但是，考虑到自动增益限制电路带来的相移，使两路- 19 -相位变更不一样，因此实行两路完全一样的信号调治电路甚至光电放大及后级放大倍数都一样，目的是为了减小因电路自己带来的相移，提高系
31、统的测距精度，也就是设计成这种电路结构的主要目的。另外，汲取电路各个模块部分实际应当选择双路芯片，制止外部滋扰而造成肯定相移，并大大减小电路体积巨细以及功耗。但是，考虑到项目处于低级探讨阶段，实际电路均选择单运放及信号调治电路芯片来测试系统电路的性能。经过信号调治后的参考信号与丈量信号频率很高，干脆对其进行数据收罗比力困难，对收罗电路要求极高本钱很大，因此须要将高频信号降到低中频段，须要混频电路来实现，系统中运用 10.0146MHz 的本振信号分别与参考及汲取主频信号进行混频，混频后为多 频率信号，须要通过选频滤波网络使低中频信号（6k Hz）通过而滤除高频信号（20MHz），之后对两路信号
32、收罗并对信号进行数据处理惩处得到两信号相位差。以上就是硬件电路设计的整体思路及设计方案。5.2 激光调制放射电路 本文考虑到相位式激光测距系统设计的要求，须要实行体积小、转换速率快、寿命长、可以干脆调制的激光器，因此系统选择体积和能耗特别小的半导体激光器作为测距光源。系统选择国产的 BLLD-PFA2-D3110A-1GR 尾纤式红外半导体激光器，其回波损耗相当低，适用于远距离传输。激光二极管是电流限制器件，因此需注入电流来激励激光二极管。激光二极管均有其阈值电流这一参数，当注入激光器电流大于其阈值电流，激光器才华被激励而产生激光，当注入电流连续增大时，输出的激灼烁度增加，功率增大。激光二极管
33、是极好的光电转换器件，其量子效率高，微小的电流变革也会输出很强的光，因此系统对激光二极管驱动电流有很高的要求。在通常状况下，实行恒流驱动来驱动激光二极管，可以利用负反馈来限制整个回路从而干脆限制驱动电流。课题中激光调制放射电路主要包罗激光调制电路和直流偏置电路。5.2.1 激光调制电路 本系统中，对激光二极管进行干脆振幅调制，激光二极管是电流限制器件，并且系统运用 10.0087MHz 的高频调制信号，必需运用高速跨导运算放大器将电压调制信号转换成电流调制信号，选用高速运算跨导放大器 OPA860 实现把电压信号转成电流调- 20 -制信号以调制红外激光二极管，激光二极管调制电路原理图如图 5
34、.2 所示。图 5.2 激光二极管调制电路 5.2.2 直流偏置电路 驱动激光二极管放射光束须要肯定巨细的直流信号，只有当流过激光二极管电流大于其阈值电流，激光器方可放射激光束，因此，需有直流偏置电路来驱动激光二极管。调制电流信号和直流偏置叠加后驱动红外激光二极管，运用精密运算放大器 OPA602 和 PNP 型三极管 MMBT3906 供应直流偏置来驱动半导体红外激光二极管，运算放大器供应直流电压，只需选用一般的低代价的器件足以满意设计要求。直流偏置电路如图 5.3 所示。- 19 -图 5.3 直流偏置电路 精密运算放大器 OPA602 同向输入端接一个 10k 的电位器接到 5V 的电源
35、上，调治滑动变阻器可以变更同向输入端的电压，凭据运算放大器虚短的原理，U + =U-，电压的变革可以限制三极管输出电流的巨细，这种限制电流电路结构简便，PCB 结构便利，大大减小电路板体积，并且可以很便利的调治驱动电流巨细，有利于电路的调试。考虑到红外激光二极管的最大驱动电流，为制止因调治电位器而产生过大的电流而烧掉红外激光二极管，红外激光二极管的最大驱动电流为 35m A，因此把 R74 电阻值设定为 200Ω，这样纵然通过调治电位器，三极管输出最大电流为 25m A，不会因调治电流而烧掉红外激光二极管。5.3 光电子汲取及其放大电路 调制信号以激光为载波放射出去，放射后的光束一
36、部分干脆反馈到内部的光电探测器中，经光电转换后作为参考信号通过信号调治电路。另一部分光束在尾纤中流传肯定距离后经探测器把光信号转换成电流信号，并对微弱的电流信号进行放大处理惩处。5.3.1 光电流放大电路 激光放射后的调制光束经过 PIN 光电二极管将光信号转换成电信号，微弱的电信号需光电流前端放大电路把电流信号转换成电压信号。光电流放大电路选用的是 ADI 公司的低噪声、1GHz Fast FET 运算放大器 ADA4817-1，它是一款高速、低失真、低噪声的运算放大器，主要应用于光电二极管放大器、数据收罗前端、DC 驱动器。该放大器有一个高速输出级可以驱动高负载，低噪声、皮安级输入电流使其
37、特殊适合与光电二极管前置放大器。光电流放大电路原理图如图 5.5 所示，反馈电阻即 R45 选择 2k 的电阻值，对探测器转换后的微弱电流信号放大 2000 倍，使输出信号幅度到达 40 毫伏左右，并在 R45 上并联一个 0.5p F 的电容，增加电容可以在环路传输中创建一个零点，能有效的赔偿顶点的影响并使信号的带宽低落，使电路更加稳定。芯片电源端选择电感加电容滤波，小容值去耦电容滤除高频噪声、大容值滤除低频噪声，这种电源去耦结构设计可以大大减小电源端的噪声。输出端接小电阻可以很好的匹配两级运放，减小高频信号的反- 20 -射，接电容可以滤除直流信号，防备直流信号对下级电路造成影响，并且电容
38、和下级电路输入端接电阻可以组成根本的 RC 低通滤波器，提高信号质量。、图 5.5 光电流放大电路 5.4 信号调治电路设计 凭据探测器的回波功率这一参数，通常状况下 PIN 光电二极管探测的回波功率与被测距离的平方成反比 ，因此，丈量的距离越大，探测器汲取的光信号越小，经过光电流转换后的信号幅值就越小。为满意混频电路输入信号幅值的要求须要自动增益限制电路（AGC）。信号调治电路主要包罗自动增益限制电路和后级信号放大电路，使信号幅值到达混频电路输入信号幅值要求。5.4.1 自动增益限制电路 自动增益限制电路就是凭据输入信号的巨细自动的调治增益从而使输出信号稳定- 19 -在肯定范畴之内。本文实
39、行 TI 公司的低噪声、宽频带的可变增益放大器 LMH6505，包罗闭环输入缓冲、电压限制可变增益及输出运算放大器。输入缓冲是跨导级，它的增益由电阻 GR 确定，输出运算放大器增益通过反馈电阻 FR 来设定，最大增益 VMAXA 为 GF RRK / ，其中 K 为增益限制系数。增益限制输入引脚的限制电压 GV 的范畴为 02V，考虑到电路的简便以及本钱，系统中通过电位器以及电阻外接到 5V 电源上，利用电阻分压原理通过变更电位器的值来变更限制电压引脚的电压值，从而限制运算放大器的放大倍数，直到输出信号满意系统的要求。LMH6505 理论的增益盘算公式为：其中 K=0.94，N=1.01V，室
40、温下 V c =79m V。本文设计的自动增益限制电路原理图如图 5.8 所示。系统电路设计中，R F值设置为 1.02k，R G 为 340 欧，则凭据公式求得电路最大的放大倍数为 2.82 倍，电压限制引脚外接一个 5k 的电位器串联一个 5k 电阻，之后并联一个 2k 的电阻接地，通过电阻分压原理盘算得到，电压限制端的限制电压范畴为 0.831.43V，凭据公式盘算求得自动增益可调治的放大倍数范畴为 0.262.82 倍之间。由于之后另有一级放大电路且放大倍数为 30 倍，自动增益设置的调治范畴不大，使其可以压缩信号，以满意混频电路的输入信号幅度要求。- 20 - 图 5.8 自动增益限
41、制电路 5.4.2 后级放大电路 为了满意混频电路输入信号幅值的要求（AD834 输入信号幅值为 1V），假如仅有自动增益限制电路，放大倍数无法满意要求，其次，参考信号和丈量信号假如只通过自动增益放大，两路信号增益差会引入更大的相移，因此须要后级放大电路，使经过自动增益限制电路后的信号放大到 1V 左右。在设计中，考虑到宽带高速放大电路后级输入端的漫衍电容，漫衍电容成为放大电路的容性负载，很简单引发自激振荡，因此，选用电流反馈型运算放大器可以有效制止自激，其次，运算放大器输出端串联 50Ω 耦合电阻能够很好的起到相位赔偿制止产生自激。系统后级放大电路选择 AD 公司 800MHz，
42、50mW 电流反馈型运算放大器 AD8001，系统后级放大电路原理图如图 4.11 所示，由于经过 AGC 的信号幅值为 36 mV左右，为了满意混频输入信号幅值的要求，通过选取电阻使放大倍数为 30 倍。实际电路测试中，输出信号波形稳定，幅值为 1.02V，满意设计要求。- 19 - 图 5.11 后级放大电路原理图 4.5 混频及选频电路 4.5.1 混频和选频电路设计 调制信号的频率高达 10MHz，高频信号的收罗、处理惩处都对电路有更高的要求，因此须要将高频信号频谱搬移至低中频。常用的技能就是混频处理惩处，混频电路由混频非线性器件及带通滤波器组成，常用的混频器件有二极管、三极管、以及集
43、成乘法器，其中乘法器混频效果最优，混频后频率身分少，有极好的载波抑制实力，结构简洁，因此选用 AD 公司的 500MHz 高速四象限模拟乘法器 AD834，其频率响应范畴为500MHz，乘法盘算误差小于 0.5%，满量程 1V 信号输入，4m A 差分电流输出。当实行单端输入方法时，假如信号源内阻为 50Ω，则会在输入端产生 1.125 mV 的失调电压，为消退该失调电压，可在另一个输入端接一个与信号源内阻等值的电阻接地即可。系统混频选频电路原理图如图 5.14 所示。- 20 - 图 5.14 混频及选频电路原理图 系统混频输入端的两个信号频率分别为 10.0087MHz 和 1
44、0.0146MHz 频率的正弦波，经过混频电路后，频率身分比力浩大，而我们须要的是低频信号，因此须要选频电路使 6k Hz 信号通过而高频信号被滤除。选频电路选择的是电压传输函数大于 1 的无源RC 带通选频电路，该电路奇妙的优点就是电压传输函数大于 1，信号不会衰减，并且电路简洁，中心频率相位稳定，并且是无源滤波电路，本钱低，特别好用，中心频率信号经过此电路不产生相移。multisim 仿真图如图 5.15 所示。图 5.15 选频电路仿真图 选频电路中，当 R1=R，R2=R/n，R3=R/m，C1=C，C2=nC，C3=mC，且当时，电压传输函数大于 1。电压通报函数为：- 19 -式中
45、系统选取的中心频率为 6kHz，当 m=1 时，n=4.83，选取 R 电阻值 1k，则 C为 33nf，因此 R1=R3=1k，R2=200Ω，C1=C3=33nf，C2 为 100nf。5.5.2 数据收罗前端放大电路 数据收罗模块可以采 5V 的模拟信号，经过选频后的信号幅度只有 50 多毫伏，满意收罗要求，但是信号幅度小，噪声对其影响就大，经过收罗模块会放大信噪比，后期数据处理惩处会影响相位丈量的精度，因此，须要将信号进行放大。高频信号已经降至低频信号，收罗前端放大电路只需选择低噪声、带宽适中、代价低的根本运算放大器就可满意设计要求，放大电路选用 AD 公司的低失真、低噪声
46、双运放 AD8056，电路原理图如图 5.18 所示。电路放大倍数为 45 倍，使输出信号幅度到达 2V 左右，便于数据收罗以及数据处理惩处。到此收罗前端的硬件电路全部设计完成，实物图如图 4.19 所示。图 5.18 放大电路原理图- 20 - 参考文献1 张晓春。激光超声技能及其应用 J 。高校物理, 1998。2 中国矿业学院丈量教研室。激光测距仪M 。北京:煤炭产业出书社,1980。3 孙长库。激光丈量技能M 。天津:天津高校出书社,2000。4 张承铨。外洋军用激光仪器手册。武器产业出书社,1989。5 曹辉,张小凤,尚志远,等。液体光击穿引发的辐射声场 J 。陕西师范大 学学报(自
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