【正文】 部的壓控振蕩器能以 1M 的間隔產(chǎn)生 400950 的頻率。 最小的頻率過沖 。 (1)串行配置 : 串行配置使用單片機(jī) I/O 端口的通過 SY89434 S_DATA, S_LOAD， S_CLOCK 三個管腳，對 SY89430 進(jìn)行初始化，設(shè)定倍頻系數(shù)，輸出分頻系數(shù)以及 TEST 管腳的輸出。//P1_2 對應(yīng) S_CLOCK sbit P1_1=P2^0。/*T2*/ . . . P1_1=0。并行配置擁有比串行配置更高的優(yōu)先級，將首先對系統(tǒng)進(jìn)行并行配置，然后進(jìn)行串行配置，直到串行配置完成。 供電電源地濾波 : 在任何高速集成電路中，電源地濾波是十分重要地。 分頻器的選擇 在數(shù)字電路中，分頻就是計數(shù)的意思，由于核心計數(shù)模塊無法工作在 500MHz的頻率之下，所以必須對 PECL 時鐘信號進(jìn)行分頻，也就是先進(jìn)行計數(shù)。 此分頻器的管腳使用如表 示。而且它的 SOIC 封裝和低偏移雙門設(shè)計使它成為一款很好的時鐘或數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換芯片。 FPGA 器件具有較小的基本邏輯單元，通常適合實(shí)現(xiàn)流水結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也可以利用邏輯單元的級連來實(shí)現(xiàn)較長的數(shù)據(jù)通路。全局時鐘的建立時間 tSU和全局時鐘的輸出 延時 tC01也在增加，但幅度并不是大。 高精度計數(shù)的 VHDL 語言實(shí)現(xiàn) CPLD 內(nèi)部計數(shù)模塊的電路如圖 。如此往復(fù)。 高精度計數(shù)模塊的功能仿真 對高精度計數(shù)模塊進(jìn)行仿真 時，圖中的 CLK_500 和 CLK_250 并沒有用于 CPLD的內(nèi)部工作而且也無法使用它，只是在時鐘信號進(jìn)入保持狀態(tài)是，獲取它所對應(yīng)管腳的電平狀態(tài)。 ，這是比較理想情況下的誤差約為177。我們以 100 米測距范圍來講，光發(fā)射到返回需要100 2/3 108 =670ns，我們以 通過串行口接收數(shù)據(jù)來講 :使用 C51 系列單片機(jī)，通過 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片和計算機(jī)進(jìn)行通訊。時鐘周期為 8ns。因此，在單片機(jī)對時鐘電路進(jìn)行配置后，還需要作至少 11ms 的延時操作，再啟動發(fā)射和計數(shù)單元。 （ 1） 時序邏輯介紹 : 系統(tǒng)加電，系統(tǒng)主控制器的定時器開始遞減計數(shù)，在此時間之內(nèi)，對各個單元進(jìn)行初始化。只有在時鐘脈沖到來時，才能改變電路的狀態(tài)，而且只改變一次。具體參數(shù)見表 所示。一般來講，由于在 CPLD 器件內(nèi)可以通過邏輯陣列將大型函數(shù)在一級邏輯中實(shí)現(xiàn)，因此它能夠提供最高的系統(tǒng)運(yùn)行速度，并且其易于確定的時序參數(shù)也有助于邏輯分析工作，但是它的內(nèi)部寄存器資源相對 FPGA 器件要少。 電平轉(zhuǎn)換 (PECL 轉(zhuǎn) TTL) 由于脈沖計數(shù)模塊最終需要的 是 TTL 電平的時鐘信號，因此 PECL 電平的時鐘信號需要轉(zhuǎn)換成 TTL 電平， SY100ELT23 是 MICREL 提供的一款雙端差分 PECL到 TTL 的轉(zhuǎn)換芯片。 4的專門用于低偏移的時鐘發(fā)生器的分頻芯片。使用 16MHz 的參考頻率可以對芯片進(jìn)行編程，可產(chǎn)生以 lMHz 的步調(diào)進(jìn)行變化的25950MHz 的頻率輸出。差分 PECL輸出將會使用同樣的供電電壓連接到 PECL輸入。正常情況下，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時， P_LOAD 輸入端被拉低，直到電源輸入變得有效。//把 S_LOAD 管腳的電平拉低，開始送數(shù) P1_2=0。 36 圖 SY89430 初始化時序圖 本設(shè)計中，串行配置是使用 C 語言 (標(biāo)準(zhǔn) C)編寫程序，在 Medwin 環(huán)境中編譯輸出 Intel HEX 文件，用燒錄器寫入 Atmel 公司的 89C52 單片機(jī)。該芯片提供了兩種可供使用的編程方式 :串行模式，并行模式。 177。 50 方波 8個TTL + 100 ZZT3 25+55 ZZT4 0+50 +5 ZZT5 1050 34 訊系統(tǒng)，高端消費(fèi)電子，高性能計算， RISC CPU 時鐘，圖形象素時鐘，測試設(shè)備及其它基于處理器的高級應(yīng) 用場合。 時鐘模塊的設(shè)計 晶振的選擇 綜合 考慮到晶振的工作電壓、輸出的時鐘波形電壓、頻率的總差額度以及工作溫度、功耗和負(fù)載，我們 選用 某電子公司生產(chǎn)的晶振，它的的具體參 數(shù)如 表所示 : 表 晶振參數(shù) 從表中我們明顯的可以看出，正弦信號時鐘的頻率誤差比方波的時鐘的要小的多，而且工作的溫度范圍都差不多 ,故選用 ZWB系列的晶振作為時鐘基準(zhǔn)。 圖 測距核心電路示意框圖 時鐘基準(zhǔn)的穩(wěn)定性 (兩種情況 :一種是對于單個周期的在時間上有穩(wěn)定性，另一種是一段時間內(nèi)固定脈沖個數(shù)穩(wěn)定性 )是我們必須要考慮的一個問題， 若 使用不穩(wěn)定的 時鐘基準(zhǔn)來計數(shù)，其結(jié)果就有較大的誤差，而且誤差難以預(yù)測及消除。 本章小節(jié) 本章對需要接收的回波信號能量進(jìn)行分析計算，從靈敏度、噪聲特性和內(nèi)增益大小以及相應(yīng)時間、方向工作電壓 等 進(jìn)行分析論證，最終決定使用型號為SPD052 的這款硅雪崩光電二極管。高速比較器的作用就在 于此。要有 20mA 的過負(fù)載能力，器件的最大環(huán)路延時為 12ns 并且時鐘和單次速率為 85MHz。 5V的供電電源下進(jìn)行測試的。在接近最大工作帶寬的時候已經(jīng)下降到原先的 50%。 27 （ 2） 放大器的應(yīng)用 UA733 可以實(shí)現(xiàn) 10, 100, 400 三個檔位的放大。漏級跟隨器輸出使它可以驅(qū)動幾乎所有的容性負(fù)載。由于我們項(xiàng)目的能耗限制，低電流工作有利于降低我們的功耗。由于輸 出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬。 其光電響應(yīng)特性是 ，暗電流小于 100nA，響應(yīng)時間小于 l0ns，反向工作電壓275425V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。決定適用于 該 波長范圍的 APD 類型。然而 APD 比起 PIN 探測器能使整個系統(tǒng)有更好的信噪比，因?yàn)樾盘栐?APD 的內(nèi)部得到增益，而不會明顯地 影響到總的系統(tǒng)噪聲。由于體漏電流 IDM在 M區(qū)得到增益放大。因此輸出的電流信號 Is=MR0(I) PS，其中 R0(I)是增益和波長都等于 I 時 APD 的固有響應(yīng)度， M是 APD 的增益， PS是相應(yīng)的光功率。然而在實(shí)際中是很難實(shí)現(xiàn)的，因此需要平衡 、 折中 相矛盾的設(shè)計需求，以實(shí)現(xiàn) 商用 APD 上 最優(yōu)化。雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測器件。 D越大，表明探測器的能力越強(qiáng)， D的單位為 W1。 在實(shí)驗(yàn)中可以測得探測器的輸出電壓 V（ω）為 ）（）（ ??? ?? OVV （ ） 式中， VO為探測器的入射光調(diào)制頻率為零時的輸出電壓。 表示時間響應(yīng)特性主要有兩種方法 :脈沖響應(yīng)特性法和幅頻特性法。圖 顯示的是一般硅、鍺光電二極管的光譜響應(yīng)特性。通過高性能驅(qū)動芯片 MIC4452 以同樣的頻率和占空比去驅(qū)動SPLLL85。 性能測試與分析 完成了電路的設(shè)計，我們來對電路的功能進(jìn)行驗(yàn)證。在本設(shè)計中主要是利用系統(tǒng)核心計數(shù)單元的 CPLD 來精確的調(diào)節(jié)占空比。它是將模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。 2. 像 MIC4452 這樣的高電流容量地芯片在布板地必須十分地注意。 以下是它的一些特性： ■ BICOMS/DMOS 架構(gòu) ■ 匹配的上升和下降時間 （ 25ns） ■ 高峰值電流輸出（ 15A） ■ 寬電壓操作范圍（ 18V） ■ 高容性負(fù)載驅(qū)動能力（ 62021pF） ■ 低延時特性（ 30ns） ■ 低供電電流（ 450μ A） ■ 低輸出阻抗（ 1Ω） 這款芯片完全可以用來驅(qū)動 OSRAM 公司生產(chǎn)的 SPLLL85 半導(dǎo)體激光器。 IL = fCVS （ 3. 1） 13 其中： f 工作頻率 ； C 容性負(fù)載的大小 ； VS 工作電壓。它的突出的優(yōu)點(diǎn)峰值功率較高，因此在使用中要注意安全。經(jīng)過分析計算（詳見第四章，放大器的選擇），要使探測器能夠接收到回波，脈沖 激光器發(fā)射的峰值功率不能夠小于 10W。最后，結(jié)合本設(shè)計所涉及項(xiàng)目的具體要求，從測距精度、功耗、體積、應(yīng)用場合和實(shí)現(xiàn)的難易度進(jìn)行討論，最后得出本設(shè)計所采用的解決方案，為以后各子模塊的設(shè)計和具體實(shí)現(xiàn)提供基本的理論依據(jù)。其次是核心計數(shù)電路的方案自身的局限性所造成的誤差，這是可通過 改進(jìn)計數(shù)方法再結(jié)合特殊的算法達(dá)到系統(tǒng)的總體要求。對于本項(xiàng)目中規(guī)定的給后續(xù)電路以足夠的幅值和盡量好的波形。我們使用高頻高功率 MOSFET 管驅(qū)動脈沖 LD，可以獲得高效、高重復(fù)率、窄脈寬、大功率的紅外激光輸出。另一方面，要加大測距范圍，就需減小頻率惆啾率，但同時也要增加電子測量系統(tǒng)的帶寬和提高頻率測量精度，因此，在實(shí)際測量中通常要尋求帶寬和頻率測量精度的平衡以及測距范圍和測距精度的平衡。雙 (多 )波長激光測距可以避免大氣對測量精度的影 響。 調(diào)頻連續(xù)波（ FMCW）激光測距 調(diào)頻連續(xù)波激光測距主要是通過發(fā)射一頻率連續(xù)可調(diào)的激光，測量接收到激光的頻率來推算距離。輸入到時刻鑒別單元的噪聲分為白噪聲和相干噪聲，它們對時間抖動的作用是不同的。據(jù)報道采用此方法時，漂移誤差能控制在177。激光發(fā)射單元在 t時刻發(fā)射一激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入回波接收單元，觸發(fā)開始信號（ START），開始時間間隔測量；其余功率通過發(fā)射通道向目標(biāo)發(fā)射出去，經(jīng)距離 L 到達(dá)目標(biāo)后被反射 。分析并行口和串行口在數(shù)據(jù)傳輸上的特性和優(yōu) 缺點(diǎn)，選擇合適的數(shù)據(jù)采集形式。 1. 脈沖激光的發(fā)射電路模塊的設(shè)計及研制 這一模塊主要是設(shè)計一個驅(qū)動電路，用來驅(qū)動 850nm 波長的高性能半導(dǎo)體激光二極管 SPLLL85 發(fā)射脈沖激光（結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)）。 50mm，距離分辨率為177。八十年代半導(dǎo)體激光二極管（ LD）技術(shù)日趨成熟，隨著半導(dǎo)體激光二極管在提高輸出功率、改進(jìn)光束方向性和提高探測器靈敏度等方面不斷取得重大進(jìn)展， LD 或 LDA（激光二極管陣列）開始應(yīng)用于中、短程測距，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，對人眼安全、性價比高等一系列優(yōu) 點(diǎn)。 七十年代， YAG 激光器技術(shù)日益成熟并開始大量應(yīng)用于激光測距，八十年代，遠(yuǎn)程、中程、近程的激光測距主要采用的是 YAG 激光器，如：坦克、炮隊(duì)激光測距、大地測量。值得注意的是，美國報道的采用脈沖測距原理的高重復(fù)率激光雷達(dá)演示系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn) 10KHz 的測頻，測程 2公里，測距精度為177。其中高精度計數(shù)和控制模塊是超小型脈沖激光測距機(jī)的核心部分，是關(guān)鍵之所在。 4. 計數(shù)結(jié)果輸出模塊 這一部分主要解決的問題是如何對 15 Mb/s 計數(shù)的結(jié)果進(jìn)行高速采集。 圖 脈沖激光測距的基本原理圖 如圖 所示，一個典型的脈沖飛行時間激光測距系 統(tǒng)通常由以下五個部分組成：激光發(fā)射 單元 、接收 單元 、時刻鑒別部件、高精度時間間隔測量部件和處理控制 單元 。 圖 前沿時刻鑒定 圖 恒定比值時刻鑒定 圖 高通容阻時刻鑒定 為了有效地克服波形畸變和噪聲帶來的誤差，提出了高通容阻時刻鑒別方法，如圖 所示，接收通道輸出的起止信號脈沖（左）通過一高通容阻濾波6 線路，原來的極值點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c(diǎn)，以此作為起止時刻點(diǎn)，它的誤差主要受信號脈沖在極大值附近的斜率的影響。 除漂移誤差外，在時刻鑒別過程中還存在時間抖動，它是由于輸入信號噪聲和來自接收通道的附加噪聲產(chǎn)生的，抖動幅度還與信號脈沖上升沿寬度、信號強(qiáng)度、時刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。如何得到穩(wěn)定的光頻和穩(wěn)定且更高的拍頻有待深入研究。以上主要是從激光飛行時間 t 出發(fā)來考慮距離的精度，其中的關(guān)鍵是如何精確穩(wěn)定地確定 t 的起止時刻和精確測量 t，它們各自對應(yīng)的是時刻鑒別單元和時間間隔測量單元；另一方面就是大氣折射率的取值精度，它受環(huán)境溫度、氣壓及大氣湍流的影響，精度一般可以達(dá)到 106（ 1ppm）。 （ 3）而對于調(diào)頻連續(xù)波激光測距其主要研究的課題是，選擇增益帶寬寬的激光介質(zhì)，增加頻率惆啾的寬度，提高測距精度 。但關(guān)鍵在于電路的設(shè)計，形成強(qiáng)電流脈沖所需要的時間常數(shù)要小。目前 噪聲相當(dāng)能量（ NEP）1015W。還有一個主要的誤差來自系 統(tǒng)時鐘信號的自身的不穩(wěn)定性，這是一 個必須要設(shè)法解決的問題，至少把它降低到最低。 本章小結(jié) 在本章里，我們介紹了激光測距常用的幾種方法，詳細(xì)介紹各種測距方法的測距的原理和測距具體實(shí)現(xiàn)的方法，并對各個測距方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 SiAPD 與低噪聲的 GaAs 場效應(yīng)前置放大器組合成的探測器，其探測靈敏度可以達(dá)到 3x1010W。這款激光器主要應(yīng)用在測距、安全（監(jiān)視）、點(diǎn)火、測試和度量等方面。 SPLLL85 內(nèi)部是一 個容性負(fù)載，典型值是 300pF，在 5V 工作電壓下對其進(jìn)行充放電所需要的功率由是式（ ）給出。芯片的外觀如圖 所示。 1和 4管腳， 5 和 8 管腳都連接上各一個陶瓷電容。 . 555 定時器 555 定時器是一種集成電路，因集成電路內(nèi)部含有三個 5 千歐電阻而得名。因此還必須通過專門的電路 實(shí)現(xiàn) 四千分之一的占空比的功能。其中還必須注意的一個問題是， MIC4452 的輸出端必須緊靠著 SPLLL85 的 TRIGGER 端，因?yàn)樗矔r的電流會很大，我們必須縮短布線的線程，避免電磁干擾引起電路工作異常。在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，我們使用了 555 芯片來調(diào)節(jié)產(chǎn)生出我們所的 5KHz 的TTL 時鐘信號，再經(jīng)過 CPLD 的轉(zhuǎn)換得到我們 所需要的 10