基于高精度延時芯片的激光回波模擬電路設計

徐翔宇+王勁松

作者簡介：徐翔宇（1989—），男，碩士研究生，主要從事儀器總體技術。E-mail：906710601@qq.com 聯(lián)系電話：15643189165

通訊作者：王勁松（1973—），男，副教授，主要從事激光參數(shù)測試技術和紅外測試技術等方面的研究。E-mail： soldier_1973@163.com

摘要：針對激光測距的精度取決于時間測量的精度這一現(xiàn)象，本文提出了一種基于DS1023與AD9501可編程延時芯片的激光回波模擬器的延時電路設計方案。延時模塊以STC89C52單片機為控制核心，采用多芯片級聯(lián)精確延時模擬目標距離。在考慮了延時芯片的延時誤差的基礎上，對芯片級聯(lián)進行了最優(yōu)規(guī)劃設計，實現(xiàn)了大范圍測量的同時保證了精度。實驗結果表明，該回波模擬器可實現(xiàn)50-3000m的標定范圍和±1m的標定精度。

關鍵詞：回波模擬器 延時模塊 多芯片級聯(lián) DS1023 AD9501

中圖分類號： TP216+.1文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

Design of laser echo simulator based on High precision delay chip

XU Xiang-yu， WANG Jing-song

（Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract： For the laser ranging precision depends on the precision of time measurement，a design scheme of echo simulator for pulse laser range finder based on DS1023 and AD9501 programmable delay chip was proposed in this paper. Delay module takes Micro-controller AT89C52 as control central and Multi-chips cascading realized the simulating of a finite target distance. Considering time delay error originating in chips-docking， optimal planning design method was adopted， the range limitation was overcome better while keeping high accuracy. The test results indicated that the calibrating system can calibrate in 50-3000m distance range and have ±1m calibrating accuracy.

Key words：Echo simulator； Delay module； Multi-chips cascading； DS1023； AD9501

激光測距機是激光技術在軍事領域中最早、最成熟的應用。激光測距機具有測距精度高、測距速度快、輕巧靈活、抗干擾能力強等特點。由激光測距機能夠實現(xiàn)對目標的精確定位與，已成為未來武器系統(tǒng)重要組成部分[1]。

脈沖激光測距機的原理是：測距機向目標發(fā)射激光脈沖，同時啟動計數(shù)器開始脈沖計數(shù)。發(fā)出的激光脈沖碰到目標時被反射，測距機接收到返回脈沖時關閉計數(shù)器，由計數(shù)器測量出激光往返的時間，由此運算出目標距離。

測距精度是評價脈沖激光測距機性能的重要參數(shù)。早期對激光測距機參數(shù)的測試多采用外場測試，測量結果受大氣條件的影響較大，并且受到場地條件的限制。隨后，研究人員引進光纖作為長距離、高精度、受周圍環(huán)境干擾少的目標距離模擬，但其缺點是模擬距離不能實時可調[2，3] 。本文介紹了一種基于DS1023與AD9501延時芯片的激光回波模擬器，它能在室內環(huán)境模擬不同目標距離，通過采用多芯片級聯(lián)方式實現(xiàn)模擬距離的連續(xù)可調。其模擬距離為50-3000m，精度為±1m。

1系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)采用一個可控延遲的脈沖激光信號代替測距機發(fā)射信號的反射回波，通過可控激光信號的精確延遲時間模擬出等效距離，將被測激光測距機探測的解算距離與模擬距離相減即可得出測距機的測距精度[4]。

在上位機設置模擬距離后經(jīng)單片機換算為精確延時時間，通過串行口配置置數(shù)緩沖器鎖存，再由置數(shù)緩沖器選通高精延時模塊中的延時芯片。激光測距機發(fā)射脈沖激光信號后，由光電二極管將光脈沖信號轉換成電脈沖信號，該信號經(jīng)放大與整形后，輸出幅值與TTL電平的模擬信號。該信號經(jīng)高精延時組件延時后，激光二極管發(fā)出一個激光脈沖送給激光測距機，完成一次試驗。系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2.精密延時電路設計

高精度延遲模塊的設計由硬件電路設計和軟件程序兩部分組成。硬件部分采用了芯片級聯(lián)延遲方法，使用多個模擬延遲芯片，通過快速延時單元和精確延時單元的配合，協(xié)調延遲時間范圍和延遲精度，達到大范圍高精度的延遲設計要求。

2.1 精確延時單元

精確延遲模塊需要延時時間能夠連續(xù)調節(jié)，采用AD9501高精度延時芯片。

AD9501延時芯片是AD公司推出的采用高性能雙極工藝的一種可編程延時器。該器件最小延時時間10ps，最大延時時間2.5ns～10us。

AD9501的延時值可變，其滿程延時范圍Trange由外接電阻和電容決定，并滿足Trange=R x（C+8.5）x 3.84，外接電阻范圍為50Ω～10kΩ。當滿程延時時間小于326ns時，外接電容C=0；當滿程延時時間大于326ns時，外接電容C=500pF。AD9501的可編程延時輸出由最小延時時間Tmin，滿程延時范圍和8位可編程數(shù)碼共同確定，并滿足以下關系：Tdelay=Tmin+（8位可編程數(shù)碼/256）xTrange[5]。

由單片機賦值與鎖存器，由鎖存器控制AD9501，調整外接電容值，實現(xiàn)0～1000ns內延遲時間設定，精確延時電路原理圖如圖2所示。

圖2 精確延時電路原理圖

2.2快速延時單元

快速延遲模塊包括19塊1000ns的定延時芯片DS1023。

DS1023延時芯片是達拉斯半導體公司生產(chǎn)的8位可編程定時器系列芯片，該系列芯片包含步長0.25ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns五種型號；用戶通過設置8 位數(shù)字信號來設定的延時時間。

DS1023系列的延遲時間由（1）式確定：

（1）

式中 為芯片延遲步長，Value為用戶設置的8位二進制延遲量。DS1023-500芯片的延遲步長為5ns，最大延遲為1275ns。并行模式下，設置P7-P0的值為1100 1000即可實現(xiàn)1000ns的延遲。電路原理圖如圖3所示。

圖3 快速延時電路原理圖

為了減少模擬開關的數(shù)量，簡化電路設計，設計一種更高效的整千延遲的組合方式。把19個芯片分為8組延遲子塊，8個延遲子塊的延遲時間分別為1，000ns、2，000ns、1，000ns、5，000ns、2，000ns、2，000ns、4，000ns、2，000ns。組合方式避免“跳連”的現(xiàn)象，需要的延遲子塊全部相鄰布置。

這種排列下，1-19之間任何數(shù)量的整千延時，都可由連續(xù)的幾組延遲連接產(chǎn)生。如延遲時間為12000ns，即12個整千延遲，可由2，1，5，2，2這五組延時組合產(chǎn)生。詳細的整延時組合方案如下表

表1 整千延時組合方案

1 2 1 5 2 2 4 2

1，000 1

2，000 2

3，000 1 2

4，000 1 2 1

5，000 5

6，000 1 5

7，000 5 2

8，000 1 5 2

9，000 5 2 2

10，00 1 5 2 2

11，000 1 2 1 5 2

12，000 2 1 5 2 2

13，000 5 2 2 4

14，000 1 5 2 2 4

15，000 5 2 2 4 2

16，000 2 1 5 2 2 4

17，000 1 2 1 5 2 2 4

18，000 2 1 5 2 2 4 2

19，000 1 2 1 5 2 2 4 2

圖4 單片機控制程序流程圖

2.3 單片機程序設計

單片機通過RS-232串口通信總線與計算機進行通信，接收完畢后，根據(jù)模擬距離計算延遲時間，并設置三個鎖存器。鎖存器設置完成后發(fā)送一個返回值給上位機完成設置。程序流程圖如圖4所示。

采用激光二極管將延時后的電信號轉變?yōu)榧す饷}沖信號給激光測距機。所采用的THORLABS-LED1550激光二極管具有很高的響應速度，上升時間和下降時間僅為1.5ns，峰值波長λ為1550nm與激光測距機的接收器APD波長一致。發(fā)射驅動電路中包括一個限流電阻，電容以及一個反向保護二極管避免功率過大導致APD擊穿。

3 標定實驗

采用精度為±20mm的LDM301激光測距機對系統(tǒng)進行標定。在實驗室中測距機解算的距離值作為標定距離， 測距機外場測解算距離作為測量距離。在每個標定距離值處各測量10次，標定結果如表2所示。

表2測距精度標定結果

標定距離L0（m） 測量平均值L（m） 誤差ΔL=L0-L（m）

50 50.18 0.18

100 99.98 0.02

500 500.06 0.06

1000 1000.40 0.40

2000 2000.12 0.12

3000 2999.80 0.20

4 結論

采用DS1023和AD9501可編程延時芯片，以89C52單片機為核心設計一種多芯片極連的精確延時電路，可模擬50-3000m的范圍，并且具有較高距離分辨率。實驗表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復性都較好，具有較好的可操作性。

參考文獻

[1] 于彥梅.激光測距機及發(fā)展趨勢[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術，2002，（8）：19-21

[2] 劉志勇，李志令.脈沖激光測距機測距能力檢測方法分析[J].軍械工程學院學報，1998，4（10）：15-19

[3] 李志剛，李軍.光纖延時技術的特點及應用[J].光通信技術，2007，（6）：662-64

[4] Geng Chun ping，Cheng Du，Zhang Zhi.Precision and Error Analysis of Laser Pulse Ranging[J]，Electro-Optic Technology Application，2007，vol22（2）：28-31

[5] 馬艷喜.數(shù)字延時器AD9501的性能及其應用[J].電子元器件應用，2002，4（11）：27-28