【正文】 計算機控制LED顯示部分本部分主要是通過單片機控制四個LED數(shù)碼管來顯示出所測得得距離，主要包括87C51單片機芯片，四個74HC573鎖存器，四個數(shù)碼管（分別顯示所測得的距離的十位、個位、十分位和百分位）、三個與門和四個三極管。其最小分辨率是，均方根噪音大約是。在延遲線中，每兩個基本的CMOS非門為一個基本延遲單元，并且每個非門具有相同的延時時間，并且改時間固定。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、信號強度、時刻鑒別單元的帶寬以及鑒別類型有關(guān)。影響前沿時刻鑒別法時刻鑒別精度的主要因素有：輸入脈沖幅度大小與者脈沖形狀變化、接收通道的帶寬和動態(tài)范圍、閾值電壓大小、最大值可能接近脈沖上升時間。當(dāng)接收回波較強時，經(jīng)過放大電路以后輸出的波形不僅幅值增加，而且脈寬也展寬。由于該電路產(chǎn)生的電壓會受到電源電壓、溫度等因素的影響，因此為了使其產(chǎn)生的高壓穩(wěn)定，并且使該高壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在高壓發(fā)生電路中加入一個反饋回路，如圖35所示。 35 脈沖激光接收電路 雪崩光電二極管APD/s，將產(chǎn)生10GHz的多普勒頻移。同時，因為中頻放大器的帶寬比光學(xué)濾光片窄很多，光混頻則適宜減小背景噪聲的影響。這類探測方法由光電探測器接收從目標(biāo)返回的激光能量，并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｒ虼?，前沿鑒別法的測量誤差是很大的。2) 數(shù)字法:即用同步時鐘脈沖對時間間隔進行計時。即： (231)1)距離計數(shù)器中的量化誤差 脈沖激光測距儀的測距性能指標(biāo) 脈沖激光測距儀就使用而言，其性能指標(biāo)基本上可歸納為測量范圍、測量精度及測量靈敏度等?，F(xiàn)在，假設(shè)輸入光電探測器的信號光功率為，噪聲光功率為，光電探測器的輸出電功率為，輸出的噪聲電功率為。假設(shè)由發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射的激光的峰值功率為TtPt，激光束的立體角為Ωt，則有，激光光源照射在被測目標(biāo)上的輻射照度如式(27)： (27)其中，是激光的傳輸距離為R時的大氣透過率，進一步，可得式(28)： (28)式中，是大氣消光系數(shù)，假設(shè)被測目標(biāo)是理想的漫反射體，那么以被測目標(biāo)作為二次輻射源向各個方向輻射的亮度可由式(29)得： (29)式中，是目標(biāo)輻射出的輻射度，它的值為，為目標(biāo)的漫反射度。具體來說，激光測距儀向著目標(biāo)發(fā)射一個光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后，由測距儀的回波接收系統(tǒng)接收，并且測量光脈沖從發(fā)射到返回所經(jīng)過的時間。1996年，中科院上海光學(xué)精密機械研究所研制出的半導(dǎo)體激光測距機的實驗樣機LD1。20世紀70年代，美國，俄羅斯等國家的知名公司開始合作研發(fā)，推出的產(chǎn)品涉及工業(yè)、海洋和航天等各個行業(yè)。相信在新的世紀，激光技術(shù)將會給人類的生活帶來全新的改變。時刻鑒別電路設(shè)計 27 預(yù)鑒別恒定比值時刻鑒別電路設(shè)計 30 時間間隔測量原理 31 32 距離計算部分 33 34 計算部分子程序設(shè)計 36brightness,）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）。關(guān)鍵詞　激光；測距；單片機；TDCGP2I 第1章 緒論 AbstractLaser TDCGP2IX目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 國外方面 2 國內(nèi)方面 3 研究意義 4 本論文研究的內(nèi)容 4第2章 脈沖激光測距的基礎(chǔ) 5 脈沖激光測距的原理 5 脈沖激光測距的性能方程 7 脈沖激光測距儀的信噪比方程 10 脈沖激光探測器的光探測原理 10 信噪比方程 10 脈沖激光測距儀的測距性能指標(biāo) 12 最大測程 13 探測靈敏度 13 距離誤差 14 15 時間間隔測量技術(shù) 15 16 17 本章小結(jié) 19第3章脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計 20 脈沖激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 脈沖激光接收電路 22 雪崩光電二極管APD在科學(xué)研究、軍事技術(shù)、能源開發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息產(chǎn)業(yè)及醫(yī)療衛(wèi)生等方面，激光也正作為新的技術(shù)發(fā)揮著巨大的作用，融入到我們的日常生活中。之后，激光測距技術(shù)迅速發(fā)展。 國內(nèi)方面國內(nèi)的樣機的研究是從20世紀70年代開始的，是在原來的固體和氣體激光測距機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[9]。研制低成本，高精度，大量程，低功耗的激光測距機有很大的現(xiàn)實意義。其原理如圖21所示，為了使激光接收系統(tǒng)能夠更多地接收激光發(fā)射系統(tǒng)的激光功率，并且能同時保證背景輻射盡可能少地進入激光接收系統(tǒng)，就必須使得激光接收系統(tǒng)的接收視場角Ωr和激光發(fā)射角Ωt之間能夠有一個良好的匹配關(guān)系。因此，要使傳遞的信息表現(xiàn)為光功率，利用光電探測器的這種直接的光電轉(zhuǎn)換便可實現(xiàn)信息的解調(diào)，這種探測器被稱為直接探測。由上面兩式可得，激光測距儀接收系統(tǒng)輸出的信噪比為： (227) 式中，電流的倍增因子，探測器接收的信號功率，探測器的量子效率，普朗克常數(shù)，光波頻率，玻爾茲曼常數(shù)，絕對溫度，接收系統(tǒng)帶寬，等效負載電阻，管后面視頻放大器的噪聲系數(shù)，與倍增過程相關(guān)的噪聲系數(shù)，探測器接收到的目標(biāo)回波平均光功率，探測器接收到的背景光功率，管的體漏電流。它由和的測量誤差所決定。 1) 模擬法：即在待測時間間隔內(nèi)對一已知電容以大電流進行充電， 然后對其以小電流放電()，則放電時間為，實際測得。目前時刻鑒別的方法主要有三種：前沿鑒別、恒定比值鑒別和高通容阻鑒別。按照探測方法來分，激光接收機可分為兩類：(1)非相干或直接探測接收機；(2)相干探測或光混頻接收機。來自目標(biāo)和本機振蕩器的兩束相干光入射到探測器上，并在探測器的表面混頻(此時探測器又作為混頻器)。3)光本地振蕩頻率的方法問題。當(dāng)三極管截止時，由于電感的自感效應(yīng)，電感上的電流不能發(fā)生突變，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢阻止電流的減小。，它用快速電壓比較器將輸入電壓和一個固定電平（鑒別閾值）相比較，當(dāng)輸入電平大于閾值時給出定時輸出。當(dāng)輸入信號的斜率：過/欠驅(qū)動較小時、延時變化率較大。本次設(shè)計選定時間數(shù)字轉(zhuǎn)換法。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔(dān)保電路和特殊的布線方式保證芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。TDCGP2XIN1XOUT2Vio3GND4Fire15Fire26Fire_IN7INTN8Clk32In16SSN9SCK10SI11SO12RSTN13Vcc14Clk32Out15Senset17LoadT18PT419PT320GND21Vio22PT223PT124En_Start32Start31Stop130Vcc29GND28Stop227En_Stop126En_Stop225U1TDCGP2R1220X1CRYSTALR2560kC115pC215pR3100kR410kX2CRYSTALC315pC415pXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.2/ECI3P1.3/CEX04P1.4/CEX15P1.5/CEX26P1.6/CEX37P1.7/CEX48P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1P87C51FAR110kR21kC110uFC230pFX1CRYSTALC330pF+3VSW1SWSPST 圖45 TDCGP2與單片機的連接圖XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST939383736353433321234567810111213141716152821222324252627U1P87C51FAR110kR21kC110uFC230pFSW1SWSPSTX1CRYSTALC330pF圖46 單片機最小系統(tǒng) 計算部分子程序設(shè)計由于所測得的時間間隔分為三個部分TA、TB和T，并且這三個部分的時間單位并不統(tǒng)一，分別是、所以在這個部分要先對他們的單位進行整合，得出準(zhǔn)確的測量距離，要求單位為米(m)。本設(shè)計選用了八位共陽極數(shù)碼管，如下圖，其中a、b、c、d、e、f、g由不同的信號控制顯示數(shù)字，dp為小數(shù)點顯示。當(dāng)使用陶瓷晶振的時候，由于其頻率的誤差非常大，所以需要在測量的時候用的晶振對高速晶振進行校準(zhǔn)。因此通常的TDC測量中，為了保證測量精度，必須在測量中隨時用高精度時間基準(zhǔn)對其進行時刻校正，用于解決由于溫度，電源電壓的波動所引起的測量誤差，保證其測量的精度。其主要有高速比較器、D觸發(fā)器和輸入電路組成，如圖42所示。它的誤差主要受信號脈沖在極值附近斜率的影響，脈沖的寬窄也會直接影響檢測的精確度，因此，這種方法適用于檢測持續(xù)時間很短的尖鋒脈沖。計時部分 圖34 高壓發(fā)生電路 圖35 反饋回路據(jù)體的放大電路的原理圖如圖36所示，此放大電路的關(guān)鍵器件包括APD，電壓放大部分的Q3，Q4，電流放大電壓轉(zhuǎn)換部分的Q1和Q2高頻三極管。雪崩光電二極管APD正常工作的時候需要在陰極加一個160V左右的直流反向偏壓來驅(qū)動，使APD有足夠的增益，所以需要設(shè)計一個高壓發(fā)生電路來給APD提供160V的反向偏壓。 33 第3章脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計 脈沖激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 脈沖激光測距系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、激光發(fā)射電路、激光接收電路和時間間隔計時部分組成。激光測距儀的性能參數(shù)中，對測程起決定作用的是接收機的最小可探測信號功率，越小，接收機靈敏度越高，測程也就越遠。接收通道輸出的起止信號脈沖通過一高通容阻濾波線路，原來的極值點轉(zhuǎn)變?yōu)榱泓c，以此作為起止時刻點，它的誤差主要受信號脈沖在極大值附近斜率的影響。通常使用幾百兆赫茲的時鐘，精度為十納秒量級；即使頻率高達10GHz的時鐘，精度也只有百皮秒，與之對應(yīng)的距離為分米量級，測距精度顯然非常低。如果在測距方程中用最