【正文】 光測距儀； 1998 年美國 Tasco 公2 司又推出測距能力為 800 碼的攝像機(jī)型 Lasersite LD 激光測距儀 [3]。 1m。 3. 高精度計(jì)數(shù)模塊 它是決定測距精度的核心部分，也是超小型脈沖激光雷達(dá)的核心部分。 4 2 半導(dǎo)體脈沖激光測距機(jī)的方案設(shè)計(jì) 激光測距原理概述 激光測距主要有三種方法：脈沖激光測距、相位激光測距和調(diào)頻連續(xù)波測距。由脈沖幅度與形狀變化引起的漂移誤差為Δ t，其大小還與閾值的大小有關(guān)，最大值可能接近脈沖上升時(shí)間 tr 。目前經(jīng)常采用的光電探測器包括光電倍增管 PMT， PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 APD 等。模間拍頻調(diào)制則具有高頻（幾百兆赫茲）和 100%的調(diào)制深度等優(yōu)點(diǎn)，因此它非常適合于高精度相位測距。由于其光學(xué)系統(tǒng)僅包含一個(gè)光源和一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，結(jié)構(gòu)極其簡單、緊湊，系統(tǒng)易準(zhǔn)直，因此倍受關(guān)注。另外，電子噪聲特別是由 大功率調(diào)制引入的電子相干噪聲對(duì)探測精度影響很大。 半導(dǎo)體激光器的體型較小，本課題的測程是 250 米左右，據(jù)現(xiàn)有資料報(bào)道，要想最大測程達(dá)到或超過 250 米，脈沖 LD 的功率必須大于 10W，否則，信號(hào)將淹沒在噪聲之中而難以發(fā)現(xiàn)。脈沖信號(hào)的上升時(shí)間不同，在邊沿觸發(fā)時(shí)，達(dá)到觸發(fā)電平的時(shí)間不同。 米之內(nèi)。 通過對(duì)現(xiàn)有的測距方法的討論和分析并結(jié)合項(xiàng)目的具體要求， 選用 脈沖激光測距技術(shù)可以使用體積和能耗非常小的激光二極管作為探測光源進(jìn)行測距 。 驅(qū)動(dòng)芯片 激光器 圖 激光發(fā)射模塊的工作框 圖 器件選型 半導(dǎo)體激光器 激光 發(fā)射器件選擇在很大程度上與接收器件的性能有 關(guān)系。 的 測距 精度要12 求，上升沿的跳動(dòng)值不能超過 4ns 。 x30176。它能產(chǎn)生 15A 的峰值電流輸出，能以一種改良的安全的操作極限來驅(qū)動(dòng)最大 MOSFET，在沒有任何外部加速電容和電阻網(wǎng)絡(luò)的情況下能接收范圍在 到 VS內(nèi)的輸入。這樣還可以減小內(nèi)部振鈴效應(yīng)，內(nèi)部振鈴效應(yīng)會(huì) 導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載工作在和接近最大額定電壓時(shí)電壓的崩潰。 為了獲得最好的性能，邏輯電路和電源要分開接地，以免電源地上的干擾竄入邏輯電路。 其震蕩周期 T 為 T≈ (R1+2R2)C （ ） 占空比 q為 2121 2RR RRq ??? （ ） 可以利用算出在特定輸出頻率下的連接電阻和電容的值。 16 圖 555 時(shí)鐘發(fā)生電路 圖 脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路 圖 是利用 555 多協(xié)振蕩器來產(chǎn)生所需的時(shí)鐘信號(hào)，我們需要的周期和占空比可根據(jù)式（ ）和（ ），來改變兩個(gè)電阻和電容的值來調(diào)節(jié)。采用的 示波器為 是 Tektronix Inc. TDS5000 系列數(shù)字示波器， 其 采樣率為 1GHz。 圖 信號(hào)的接受流程圖 器件選型 本設(shè)計(jì)使用的主要器件有 APD，前置放大芯片，高速比較器等。 二 . 響應(yīng)時(shí)間 光電探測器輸出的電信號(hào)在時(shí)間上落后于作用在其上的光信號(hào)，即光電探測器的輸出相對(duì)于輸入的光信號(hào)要發(fā)生時(shí)間軸上的擴(kuò)展。 2. 幅頻特性 由于光電探測器件惰性的存在，使得其響應(yīng)度不僅與入射的波長有關(guān)，而且還是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。 NEP 的定義：當(dāng)探測器輸出的基頻信號(hào)電壓的有效值 VN等于噪聲均方根電壓 Vn時(shí)，投射到探測器上的已調(diào)制輻射功率 PN（基頻分量的均方值），稱為光電探測器的噪聲等效功率。它表示探測器接收面積為 1 cm2，工作帶寬為 1Hz時(shí)，在單位入射輻射功率 照射下所輸出的信噪比。只有當(dāng)外界有光照時(shí)，激發(fā)出的光生載流子才能引起22 雪崩效應(yīng)。倍增區(qū) M 必須足夠?qū)捯蕴峁┯杏玫脑鲆?。或者探測器噪聲在低壓條件下受到抑制，或者光子散粒噪聲在高壓下受到抑制。 23 在較強(qiáng)的光信 號(hào)作用下，探測器轉(zhuǎn)換為光子散粒噪聲抑制系統(tǒng)。而且有一定的范圍，硅 APD 增益的范圍是從 100 到 1000，而 Ge 和 InGaAs APD 的增益是從 30到40。 (3)光探測器件的最終選擇 對(duì)于波長 850nm 紅外光信號(hào)，使用對(duì)該波長響應(yīng)度比較高的 SiAPD 作為接收器件。在許多系統(tǒng)中 (如光譜測量，光電跟蹤 )并不要求嚴(yán)格保持脈沖信號(hào)的形狀，所以為了得到好的信噪比而犧牲高頻分量。如圖 所示，對(duì)于矩形脈沖取 : Δ =4 時(shí)，才能保持脈沖形狀。我們假設(shè)激光管的發(fā)射功率為 E,測距距離為 L，光斑大小在測距達(dá)到一定距離可 看作點(diǎn)光源 ，接收面的半徑為 r，反射面的反射率為σ且為蘭伯特面，發(fā)射光路的透過率為 T1，接收光路的透過率為 T2,且假設(shè)反射體反射面面積大于光斑面積，不考慮大氣吸收，則 : 接收到的光能量 : 2122421 TTLrEEr ?????? ??? () 26 若 從 LD發(fā)射出的光功率 E為 10W，接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率 T1, T2 為 70%,反射面的反射率為 20%,測距的距離為 300m， 將 值帶入式 ()得 WEr 9222 %70%70%20)300(421)102(10 ?? ??????????? () 選擇 SPD052 型號(hào)得 APD 對(duì) 900nm 的紅外光的轉(zhuǎn)換率η為 ,APD 的輸出電壓為 : Vout=Erxη ==(V) () 根據(jù)計(jì)算結(jié)果來決定放大器使用的放大倍數(shù)。任何增益選擇都不需要外部的頻率補(bǔ)償。通過對(duì)可調(diào)電阻 Radj的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)從 10 到 400 倍的放大。 它有著差分輸入和補(bǔ)償 TTL 輸出。 V+和 V可以旁通一個(gè) uF的陶瓷電容連接到 GND 與 并聯(lián)一個(gè) 10uF 的陶瓷電容進(jìn)行濾波。 性能測試及分析 為了驗(yàn)證電 路在功能上的正確和電器上的合理性 .。光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的光信號(hào)的發(fā)散角為 3個(gè)毫弧度，光斑的形狀是橢圓形，實(shí)驗(yàn)測得光斑在 150m 時(shí)，光斑的長軸直徑為 50cm,短軸約為 25cm。 為了獲得更好的脈沖回波信號(hào)，提出使用高速比較器來進(jìn)行脈沖的整形濾波。因此我們必須使用高穩(wěn)定度的晶 振作為時(shí)鐘基準(zhǔn)。 2 ZWB3 0+55 177。芯片內(nèi)部對(duì)外部輸入的 16MHz 進(jìn)行 8分頻作為時(shí)鐘基準(zhǔn)。 串行 3線接口 。具體時(shí)序描述是：在S_CLOCK 的每次上升沿到來時(shí)進(jìn)行一次移位。//P1_0 對(duì)應(yīng) S_LOAD void main(void) { P1_0=l。 P1_2=0。因此，終端負(fù)載電阻或電流源必須被用作多用途。 VCC1, VC_QUIET,VCC_ TTL，和 VCC_OUT 每個(gè)必須通過焊盤連接 到供電面上，且每個(gè)管腳都必須有一個(gè)旁路電38 容。 如圖 示。 1輸出 39 Q1 差分247。 圖 SY100ELT23 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 時(shí)鐘電路部分的基本工作流程是：利用一個(gè)高穩(wěn)定的晶振作為 PLL 芯片的參考時(shí)鐘輸入， PLL 芯片產(chǎn)生高頻 (500MHz )的 PECL電平的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行 1, 2,4 分頻，再進(jìn)行 PECL 到 TTL 電平轉(zhuǎn)換得到 S1, S2, S3，三個(gè)信號(hào)輸入核心計(jì)數(shù)單元， S3 作為內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)，進(jìn)行計(jì)數(shù)和相應(yīng)的控制。 由于本項(xiàng)目的核心是計(jì)數(shù)器，因此器件內(nèi)部 的時(shí)延是我們必須考慮而且要準(zhǔn)確的預(yù)測，并且對(duì)時(shí)序的要求比較嚴(yán)格， 因此最好 CPLD 器件。則基本保持不變或變化很小。 的計(jì)數(shù)精度。 43 圖 計(jì)數(shù)及控制系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)在時(shí)序上有嚴(yán)格的要求，否則如果時(shí)序出現(xiàn)混亂，電路就無法完成既定的功能。時(shí)序示意圖如圖 所示。但實(shí)際過程中，從控制信號(hào)產(chǎn)生脈沖激光發(fā)射信號(hào)到光脈沖的發(fā) 出，這其中有一定的延時(shí)，并且發(fā)出使分頻芯片進(jìn)入保持狀態(tài)或取消保持狀態(tài)還需一段時(shí)間的延時(shí)，我們必須盡量準(zhǔn)確的獲得這個(gè)時(shí)間的值，對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行修正。 光脈沖的發(fā)射頻率為 10KHz，兩次發(fā)射的時(shí)間間隔為 100us。 Read 是開始讀數(shù)的信號(hào)，是由硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信協(xié)調(diào)完成，同時(shí)必須在時(shí)鐘信號(hào)保持狀態(tài)后進(jìn)行。 12MHz 的時(shí)鐘周期時(shí)間為 83 ns，由圖 ，串行配置至少需要 19個(gè)時(shí)鐘周期，既 1577ns，建立時(shí)間包括 S_DATA 到 S_CLOCK,S_CLOCK 到 S_LOAD, 到 P_LOAD 的時(shí)間各20ns,鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的時(shí)間 10ms，還有其他一些未知的因素造成的延時(shí)。 1,247。 高精度計(jì)數(shù)的解決方案 計(jì)數(shù)模式的確定 本系統(tǒng)采用同步計(jì)數(shù)，所謂同步計(jì)數(shù)指的是所有存儲(chǔ)單元的狀態(tài)的改變?cè)谙到y(tǒng)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖 控制之下同時(shí)發(fā)生，既存儲(chǔ)單元的狀態(tài)的改變是和時(shí)鐘脈沖是同步的。它的內(nèi)部是用 CMOS EEPROM 單元實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的。 FPGA/CPLD 以其自身具有的高集成度，高速度以及現(xiàn)場可編程能力 (FPGA )，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 (高速信號(hào)采集，高速數(shù)字信 號(hào)處理，高速控制等等 )。 4輸出 SY100ELT341 的控制功能 CLK /EN MR 功能 ↑ L L 分頻 ↓ H L 保持 Q02 X X H 復(fù)位 Q02 注意其中 /EN管腳的功能是十分重要的，核心計(jì)數(shù)部分就是利用了它的特性。 1,247。供電部分的每一個(gè)管腳都必須接一個(gè) 和 的旁路電容。因此必須使用阻抗匹配技術(shù) 來盡可能的使操作頻率最高并且使波形失真最小。//使 S_LOAD 產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖，結(jié)束配置 37 P1_0=0。 P1_2=0。隨著 P_LOAD 被拉高，在 S_LOAD 由高變低的下降沿，內(nèi)部鎖存器開始捕捉到移位寄存器移入的值，直到 S_LOAD 由低變高結(jié)束。時(shí)鐘電路的實(shí)現(xiàn)框圖如 所示 : 圖 時(shí)鐘電路部分的連接示意圖 圖中的被動(dòng)濾波電路能夠使頻率跳動(dòng)盡可能達(dá)到最小。 它的主要特性如下 : 5V 和 兩種電壓選擇 。 5 ZWB3B 177。 方案 使用 了 專門 設(shè)計(jì) 的時(shí)鐘電路 ， 提高了時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量，為后面的高精度計(jì)數(shù)和控制電路提供方便 (減小了時(shí)序混亂造成系統(tǒng)出錯(cuò)可能性 )，而且使用高頻率的 ECL 電平的時(shí)鐘基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精度非常高的時(shí)間分辨率 (誤差在 2ns 之內(nèi)，達(dá)到177。 32 5 基于 ECL 電平時(shí)鐘基準(zhǔn)高精度計(jì)數(shù)模塊的 設(shè)計(jì)及研制 設(shè)計(jì)方案的確定 以低頻的高穩(wěn)定度晶振作為基準(zhǔn)，產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)輸入一個(gè)倍頻器 (PLL)，得到一定頻率 ECL 的時(shí)鐘信號(hào)，把 ECL 時(shí)鐘信號(hào)輸入分頻芯片，再利用電平轉(zhuǎn)換 為 TTL 電平，以此時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，輸入高精度計(jì)數(shù) (分頻 )和控制單元，以控制系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)高精度計(jì)數(shù)和激光脈沖的發(fā)射，使之嚴(yán)格的同步，最后利用回波脈沖的上升沿中止計(jì)數(shù)，結(jié)合分頻器和高精度計(jì) 數(shù)單元的計(jì)數(shù)狀態(tài)，輸出最后的計(jì)數(shù)結(jié)果。 圖 放大器和高速比較器的電路連接圖 31 圖 實(shí)際系統(tǒng)測試波形圖 從圖中可以看出信噪比還是比較的高，顯示版面中每一大格代表 200mV，噪聲的電壓幅度范圍集中在士 40mV 左右。圖 是采用的電路 原理圖 。為了獲得 較 小的噪聲效果，可以使用鐵氧體珠子在供電線上。 5V)的理想 選擇，例如， V/F 轉(zhuǎn)換，開關(guān)調(diào)節(jié)等等。圖 顯示的放大倍數(shù)和頻率的關(guān)系。 從以 上 看出 ，它的放大帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的帶寬需要 (30MHz )。 UA733M 是德州儀器公司 產(chǎn) 信號(hào)放大芯片，管腳如圖 所示。所以從信噪比出發(fā)， Δ 左右。 放大器對(duì)矩形脈沖的響應(yīng)特性與放大器的帶寬有關(guān)。超過本系統(tǒng)理論上需要接收的光能量的兩個(gè)量級(jí)，滿足本設(shè)計(jì)的要求。下面 為 選擇 APD 所要遵循的幾點(diǎn)要求，根據(jù)這幾點(diǎn)可 以決定一個(gè) APD是否最適合某個(gè)光探測的需求。光照條件下 APD 總的噪聲等于探測器噪聲和信號(hào)散粒噪聲的二次方的和。散粒噪聲來源于暗電流 ID（或信號(hào)電流）漲落的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)分布。另外，在場強(qiáng)低于二極管擊穿電場強(qiáng)度時(shí)，倍增區(qū)的表面電場必須實(shí)現(xiàn)有效的增益。 （ 1） 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) 理想的 APD 應(yīng)是沒有暗噪聲與 過剩噪聲， 具有 寬的光譜與頻率響應(yīng)，增益的范圍 達(dá) 106或更多。 雪崩光電二極管是利用 PN 結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 21 噪聲等效功率有稱為最小可測功率，因此光電探測器的 NEP值越小，其探測能力越強(qiáng)。通常定義光電探測器對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)幅度值同調(diào)制頻率間的關(guān)系為它的幅頻特性。光電探測器的這種響應(yīng)落后的特性成為惰性。 一 . 光譜 響 應(yīng)度 光譜 響 應(yīng)度是光電探測器的基本性能之一，它表征光電探測器對(duì)不同長入射輻射的響應(yīng)。 本章小節(jié) 本章研究的是測距機(jī)的激光發(fā)射模塊，根據(jù)項(xiàng)目的具體要求提出了自己的方案。 為了盡量減小 PCB 板的尺寸，我們所有的元器件都采用貼片封裝（電阻和電容采用 0805 或 0604， MIC4452 采用 SO8, SPLLL85 根據(jù)尺寸自定義）?？梢援a(chǎn)生 5KHz 的 TTL 時(shí)鐘信號(hào)，但是無 法達(dá)到四千分之一的占空比。最后在芯片的地端將二個(gè)地連接。 為了獲得一個(gè)低地供電源在寬頻范圍內(nèi)阻抗，供電旁路最好并行連接一個(gè)電容，應(yīng)當(dāng)使用短導(dǎo)線長度低自感系數(shù)地瓷