【文章內(nèi)容簡介】 使從 555 電路中得到的方波周期能恰好使電感工作在接近 飽和的狀態(tài)，這樣就能夠提高電路的轉(zhuǎn)化效率。同時，由于電路工作在不飽和的狀態(tài)下，就可以通過調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通時間來較好的控制住輸出電壓的幅值變化。 電壓控制反饋電路 為了使得到的反向偏壓更穩(wěn)定，并且在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在高壓發(fā)生電路中加入一個反饋回路如下： 圖 35 反饋回路 此反饋回路是利用輸出電壓，來控制 555 集成電路的第 5 腳，以控制 555的輸出波形的頻率和占空比發(fā)生變化，來實現(xiàn)對輸出電壓 Vo 的控制作用。 當(dāng)輸出的電壓等于 160V 時，反饋回路電流從 R28（計為 I1）經(jīng) R33 到 R29（計為 I3）、從 R32（ 計為 I2）經(jīng) R33 到 R29，而當(dāng)高壓生成電路工作于穩(wěn)態(tài)時，555 集成電路的兩個輸入端信號影響輸出端，即 Vref 來控制 555 集成電路的第 5腳，使其控制產(chǎn)生的方波信號頻率正好使高壓生成回路產(chǎn)生 160V 的高電壓，讓電路到達平衡狀態(tài)。 如果由于干擾等原因， Vo 小于 160V， I1 將減少，因為 I3 I1+I2，所以 12將相應(yīng)的增加，導(dǎo)致 ton 增加即 T1 增加，則 Vo 也將增加，直到達到 160V，工作于穩(wěn)態(tài)的情況下。 同理，當(dāng) Vo 大于 160V，那么 Il加大， I2 將相應(yīng)減小。這樣就能拉低輸出電壓，使它穩(wěn)定在 160V。也可以通過 調(diào)節(jié)運算放大器的同向端電壓來改變 Vo，即可得到不同電壓的穩(wěn)定狀態(tài)。 圖 36 555 輸出方波圖形 如圖，它的周期 T T1+T2。它值的大小由 555 電路中的電阻、電容，以及 Vref來共同決定，具體的計算公式如下： 以上兩式可以看出，改變 Vref 時， T2 是不變的，僅 T1 發(fā)生了變化，也就是說頻率和占空比發(fā)生了變化。因為 T2 不變，所以當(dāng) Vref 變大時， T1 變大，使 Vo 變大 Vref 變小時， T1 也減小使 Vo 減小。 為了使電感能夠持續(xù)工作在不飽和的狀態(tài)下，在所選的元件參數(shù)下，應(yīng)該使T1 小于 30 微秒。 該電路提供的電流值 由下式?jīng)Q定： 其中 ILm 為流過電感的最大電流， Vo 為輸出電壓。 如果元件參數(shù)選擇恰當(dāng)，這個電壓放大電路可以將輸入的電壓放大到五十倍以上，并且輸出電壓的穩(wěn)定度很好。該電路可以提供的電流約為 O． 5mA，足以驅(qū)動 APD 正常工作。當(dāng)輸入電壓在 4． 5V 時，工作電流約為 0， 1A，輸出電壓 160V，可提供的電流約為 0． 5mA。 放大電路 放大電路的原理圖如下，此放大電路的關(guān)鍵器件包括 APD，電壓放大部分的Q122， Q124,電流放大 電壓轉(zhuǎn)換部分的 Q118 和 Q120 高頻三極管。 APD 已介紹，Q118， Q120 采用高頻 三極管，其部分典型工作參數(shù)如下： 工作頻率： F1 5GHz 類型： NPN 放大倍數(shù) Hpe 90 集電極最大正向電流： Io 25mA Q122 和 Q124 采用高頻三極管，典型工作參數(shù)： 工作頻率： F1 5GHz 類型： PNP 放大倍數(shù) Hpe1 50 集電極最大正向電流： I 25mA 圖 37 放大電路原理框圖 對于脈沖激光測距系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)的探測概率為 99％時， APD 接收到的回波脈沖信噪比 SNR 應(yīng)不小于于 8，即： 故得： 此時，最小可探測功率為： 經(jīng)過 Q118， Q120 兩級放大以后， Q120 的集電極電流在脈沖到達時放大為： 在 R123 上形成的壓降為： 當(dāng)回波信號較弱，探測概率為 99％ CEl 點處測得壓降變化約為 200mV 左右，經(jīng)過后面一級的放大后，輸出信號幅度約為 3V 左右，完全可供后繼電路進行處理。 當(dāng)該放大電路接收中等回波強度時 R123 上的壓降約為 2． 5V， APD 上接收的激光功率約為 1． 69*108 w。 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。 4 計時及顯示部分設(shè)計 計時部分 計時原理 脈沖激光測距系統(tǒng)的測量精確度主要依賴于接收通道的頻帶寬 度、激光脈沖的上升沿寬度和脈沖激光飛行的時間測量精確度。其中飛行時間的測量精度對脈沖激光測距儀的測距精度其重要作用。傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)采用直接計數(shù)法來測量主波信號與回波信號之間的時間間隔，該激光測距系統(tǒng)的計時原理如下圖： 圖 41 計時原理圖 由圖可知，時間間隔 NT+ TATB ，其中 TATB 就是時間間隔測量誤差，假設(shè)所用的計數(shù)脈沖為 12MHZ，則 TATB 就可達到 ，計算出來的距離誤差可達到大約 ，顯然不能滿足要求較高測量精度。本設(shè)計提高脈沖激光測距測量精度的方法主要是采用 CPLD 的模擬 內(nèi)插法。本設(shè)計只做簡單介紹，不進行具體分析實現(xiàn)。 內(nèi)插法 內(nèi)插法主要有延遲線內(nèi)插法、差頻測相法和模擬內(nèi)插法三種。其中模擬內(nèi)插法精度高、測量盲區(qū)小、電路容易實現(xiàn)，應(yīng)用也最為廣泛。 模擬內(nèi)插法是利用電容充放電時間與所達到的電壓的積分關(guān)系，在高精度電容 C 的電流與電荷呈線性關(guān)系的區(qū)域內(nèi)，利用短短的時間 Ta 或 Tb 時間內(nèi)對電容C 充電，根據(jù)線性關(guān)系得到與時間相對應(yīng)的電壓值 Va 或 Vb，再由高速 A/D 最其采樣，得到對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)。對應(yīng)式子如下： 或者： 其中， C 為電容， I 為充電電流， m 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 利用模擬內(nèi)插法得 到的時間測量精度可達到： 該方法與傳統(tǒng)計數(shù)法相比，把脈沖激光測距的測量精度提高倍，假設(shè)采用40MHZ的計數(shù)頻率（周期為 25ns）， 8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么時間測量精度約為 100ps，對應(yīng)的距離精度即為 15mm。 利用單片機和 CPLD 實現(xiàn)模擬內(nèi)插 CPLD 與單片機是整個系統(tǒng)的核心部件， CPLD 的作用是住計數(shù)器、分離出 TA與 TB、控制 A/D 采樣以及與單片機進行通信。單片機的作用是控制測量過程、接收 CPLD 測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)運算及數(shù)據(jù)顯示控制。 時間間隔測量系統(tǒng)原理框圖 圖 42 單片機與 CPLD 模塊連接圖 其中 CPLD 時間間隔測量模塊包括時間分離模塊，控制 A/D 采樣模塊，主計數(shù)器模塊和與單片機數(shù)據(jù)通信模塊。 其工作原理是： START 是由單片機控制的，當(dāng)單片機接收到參考信號時，單片機從 端口給出 START 一個高電平脈沖，啟動 CPLD 模塊的計時功能，開始計時，當(dāng)系統(tǒng)接收到回撥的信號時，單片機從 端口給出一個高電平脈沖，計數(shù)停止。 CPLD所測得的時間間隔包括三個部分 :NT、 TA 和 TB，單片機通過 、 、 三個端口（低電平有效）來控制將三個時間值由 P0 口輸送給單片機進行儲存。 計時開始 與結(jié)束程序設(shè)計框圖如下： 圖 43 單片機控制計時原理框圖 由于本設(shè)計針對近程測距，為了便于程序編寫，假設(shè)所測的最遠距離為，這樣變量 T 256 可以用一個八位二進制數(shù)表示，即只用 P0 口就能完成 T的輸入。而實際測量是并不能確定是否超出量程，所以該調(diào)取程序需要有檢測功能，通過判斷 T 來確定是否超出量程，當(dāng)沒有超出時繼續(xù)調(diào)取，當(dāng)超過量程時，各個時間間隔歸零，通過顯示 來提醒操作者超出了量程范圍，其程序框圖如下： 圖 44 單片機控制調(diào)取時間間隔原理框圖 距離計算部分 前一部分已經(jīng)給出了三個 時間變量，即為所測的時間間隔 T（ ns） TA（ 101ns）TB（ 101ns），該計算部分主要由單片機完成，其功能主要是針對 CPLD 送來的三個時間值進行一系列的數(shù)據(jù)計算，計算出相對應(yīng)的所測得的距離值。 最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)主要是為了保證單片機系統(tǒng)正常工作。主要由 AT87C51 單片機、外部振蕩電路、復(fù)位電路和 +5V 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的 XTAL1和 XTAL2 管腳分別接 12MHZ 晶振和兩個 30PF 電容夠成的振蕩電路兩側(cè)，為單片機提供正常的時鐘脈沖。在復(fù)位電路中，復(fù)位電路如圖，單片機 RESET 管 腳一方面經(jīng) 20F 的電容接至電源正極，實現(xiàn)自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān) S 接電源。主要功能是使單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，另外當(dāng)程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，只要按復(fù)位鍵就可以重新啟動單片機電路，因此，復(fù)位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖 45 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 ns、 ns、 ns，所以在這個部分要先對他們的單位進行整合，得出準確的測量距離，要求單位為米（ m）。 距離計算部分子程序 框圖如下： TA