激光測(cè)距儀激光發(fā)射及回波接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉影

摘? 要：本次激光測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是相位式測(cè)距法，相位激光測(cè)距又稱調(diào)幅連續(xù)波激光測(cè)距通常是基于對(duì)目標(biāo)回波相位的探測(cè)，在諸如軍事、航空、工業(yè)和體育等領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛的應(yīng)用。相位激光測(cè)距儀的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、高可靠性、便于與其他儀器集成。本設(shè)計(jì)圍繞接收和發(fā)射系統(tǒng)的性能開(kāi)展，主要包括了鎖相環(huán)、分頻器、信號(hào)整形與放大電路、弱信號(hào)檢測(cè)濾波與放大電路、混頻器等方面的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 激光測(cè)距;相位;鎖相環(huán);混頻器;分頻器。

一、激光發(fā)射部分設(shè)計(jì)

激光發(fā)射部分，包括激光器、激光調(diào)制信號(hào)（1.5MHz 和 15MHz 兩路信號(hào)）的產(chǎn)生、激光信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)制發(fā)射部分三個(gè)模塊。

1.激光器的選擇

本系統(tǒng)采用的激光源選用半導(dǎo)體激光器HLD980。雖然半導(dǎo)體激光器光束發(fā)散角較大，輸出功率不高，但它具有體積小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、功耗最低、使用最方便的一種激光器。

2.激光調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生

發(fā)射部分最重要的是激光調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊即電路中各個(gè)頻率的產(chǎn)生模塊，其中最主要部分包括鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)和基于CPLD和VHDL語(yǔ)言的分頻器的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)中除了光頻信號(hào)外，電路中一共出現(xiàn)五個(gè)不同頻率的信號(hào)，即：主振 1：fs1=15MHz，主振 2：fs2=1.5MHz，本振 1：fL1=15.1MHz，本振 2：FL2=1.51MHz 和 10KHz 的混頻輸出信號(hào)，除了最后一個(gè)混頻輸出信號(hào)外，其他四個(gè)頻率的信號(hào)都將在這個(gè)模塊當(dāng)中產(chǎn)生。

3.鎖相環(huán)（PLL）的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用鎖相環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生所需頻率的信號(hào)，即15.01MHz和1.51MHz的

本地振蕩信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，鎖相環(huán)路的功能組成框圖如圖1所示。鎖相環(huán)路由壓控振蕩器（VCO）、環(huán)路濾波器、鑒相器、整形器、分頻器和源振蕩器組成。

MC4044 鑒相器原理：

MC4044是數(shù)字鑒相器芯片，內(nèi)部由三部分組成：鑒相器（Phase? Frequency Detector），電荷泵（Charge Pump），運(yùn)算放大器（Amplifier）。如圖2 所示。

鎖相環(huán)路的工作過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋過(guò)程。有源晶振產(chǎn)生的15MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)1500分頻得到10KHz信號(hào)，送給MC4044（ST002）作參考信號(hào)，而壓控振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)1501分頻送給MC4044，作鑒相器的另一個(gè)輸入信號(hào)。如果鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，即鎖相環(huán)不能自動(dòng)的使MC4044的兩輸入信號(hào)同頻同相，也就是MC4044的輸出電壓不能調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容使壓控振蕩器振蕩在合適的頻率。此時(shí)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)壓控振蕩器中的中周，即調(diào)節(jié)回路電感，使鎖相環(huán)離開(kāi)失鎖狀態(tài)，進(jìn)入捕獲狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入捕獲狀態(tài)后，MC4044（ST002）通過(guò)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，這個(gè)電壓誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后去控制變?nèi)荻O管的電容，進(jìn)而控制振蕩器的頻率和相位，使鑒相器的相位誤差變的更小。這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)反復(fù)，最終達(dá)到鎖定狀態(tài)，即壓控振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)1501分頻后能與有源晶振輸出信號(hào)經(jīng)1500分頻后的信號(hào)同頻同相，鑒相器的輸出相差為0，即輸出引腳（U1、D1）都為高電平，輸出的電壓誤差信號(hào)為一定值，變?nèi)荻O管的電容為一穩(wěn)定值，壓控振蕩器的輸出為頻率和相位都穩(wěn)定的信號(hào)。這個(gè)過(guò)程可以用圖3來(lái)表示。

在本激光測(cè)距系統(tǒng)中，需要五個(gè)分頻器：

15MHz 十分頻產(chǎn)生 1.5MHz 的信號(hào)源;15MHz 經(jīng)1500分頻產(chǎn)生 10KHz 信號(hào)送到鑒相器1;15.01MHz 的壓控振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)經(jīng)1501分頻產(chǎn)生 10KHz信號(hào)送到鑒相器1;1.5MHz 經(jīng)150分頻產(chǎn)生10KHz信號(hào)送到鑒相器2; 1.51MHz 的壓控振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)經(jīng)151分頻產(chǎn)生10KHz 信號(hào)送到鑒相器 2;對(duì)（2）、（3）、（4）、（5）的分頻器，如果采用計(jì)數(shù)型分頻器（占空比不為1：1），則可能會(huì)出現(xiàn)鑒相器捕捉不到信號(hào)邊沿的情況，所以在設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一采用占空比為 1：1（（3）、（5）的約為 1：1）的設(shè)計(jì)。

4.調(diào)制發(fā)射部分

驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)是 15MHz 和 1.5MHz 兩個(gè)頻率的信號(hào)的直接相加所得的和信號(hào)。

發(fā)射部分電路原理圖如下圖4所示：

二、激光回波接收部分設(shè)計(jì)

1.回波接收部分的功能與要求

激光回波接收部分，其作用包括以下幾個(gè)方面：

通過(guò)探測(cè)器對(duì)激光信號(hào)包絡(luò)探測(cè)，完成光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，輸出調(diào)制電信號(hào);對(duì)兩路不同頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波分離;對(duì)兩路信號(hào)分別放大，使之幅度能夠達(dá)到要求，并分別送至混頻器。

在設(shè)計(jì)激光回波接收部分的時(shí)候要遵循以下要求：

濾波效果要好;保證電路不產(chǎn)生自激信號(hào)的情況下，盡可能提高電路的放大倍數(shù)，獲得較高增益;對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便能夠與后續(xù)電路的要求進(jìn)行吻合。

2.光電檢測(cè)器的選擇

圖5顯示的是一般硅、鍺光電二極管的光譜響應(yīng)特性，可以看出硅型和鍺型的光電二極管在相對(duì)靈敏度上，對(duì)波長(zhǎng)有著明顯的選擇性。

由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器發(fā)生信號(hào)為紅波，波長(zhǎng)為650nm，由圖5可知硅雪崩二極管比鍺雪崩二極管對(duì)該范圍的波長(zhǎng)響應(yīng)度高，因此選擇硅雪崩二極管作為激光探測(cè)器。

3.激光接收的設(shè)計(jì)

在15MHz 和1.5MHz 兩路信號(hào)的分離上，減小自激振蕩產(chǎn)生的可能性，降低電路調(diào)試的復(fù)雜性，使用有源濾波原理設(shè)計(jì)濾波（分離）模塊。

3.1濾波分離模塊

我們選用運(yùn)算放大器作為有限增益放大器來(lái)設(shè)計(jì)有源濾波器電路。首先要選取核心元器件，即放大器芯片。經(jīng)過(guò)比較，最終決定使用AD8007作為有源濾波電路的放大器。

AD8007是美國(guó)模擬器件有限公司推出的一款低失真、低噪聲、高增益、高帶寬的電流反饋式運(yùn)算放大器，其帶寬達(dá)到650MHz，壓擺率（G=+1， V0=2V）時(shí)為1000V/s。

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原理，采用AD8007所設(shè)計(jì)的一階濾波器電路原理示意圖如圖6所示

根據(jù)圖6，可以分別列出節(jié)點(diǎn) C 和 B 的電流方程，得到下面方程組

其中 K 表示放大器的增益。聯(lián)立上面三個(gè)方程，為使電路計(jì)算簡(jiǎn)單化，我們這里令 C1 = C2 ，R1 = R2，則解之可得經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單化處理的電路的傳遞函數(shù)為

該傳遞函數(shù)有兩個(gè)共軛復(fù)根而且有兩個(gè)在原點(diǎn)的零點(diǎn)，可見(jiàn)是一個(gè)二階高通濾波器。其中，

當(dāng)K>3時(shí)，分母中s項(xiàng)的系數(shù)就會(huì)變?yōu)樨?fù)，極點(diǎn)就會(huì)移至S平面的右半平面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

如果將電路中的外圍元器件的阻容性進(jìn)行對(duì)換，則可以得到二階低通濾波器。

3.2放大模塊

由于光電探測(cè)過(guò)程輸出的信號(hào)十分微弱，根本無(wú)法滿足后續(xù)電路中混頻器的要求，因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是必須的。

同時(shí)，要達(dá)到對(duì)輸出信號(hào)幅度的可控制，必須選擇帶有反饋的放大電路設(shè)計(jì)方法。

反饋放大器的基本方程為

其中A是基本放大器的傳輸增益（也稱開(kāi)環(huán)增益或開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)），F(xiàn) 是反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)（也稱反饋系數(shù)），表示反饋信號(hào)占輸出信號(hào)的比例。由式（3-5）可知，負(fù)反饋使放大器的增益下降了（1+AF）倍，但是當(dāng)AF>>1的條件下，即所謂的“深反饋條件”下，

閉環(huán)增益主要決定于反饋系數(shù)，而與開(kāi)環(huán)增益關(guān)系不大。與此同時(shí)，負(fù)反饋雖然使放大器的放大倍數(shù)減小，但卻使放大器的許多性能得到改善。例如，放大倍數(shù)穩(wěn)定度提高，通頻帶展寬，線性失真減小以及可以減小放大器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲與干擾的影響。

由于我們希望得到的是電信號(hào)的相位信息，而這種相位信息是通過(guò)電壓的變化所傳遞的，因此，我們采用串連電壓負(fù)反饋來(lái)設(shè)計(jì)同相比例放大器。其原理示意圖與閉環(huán)傳輸特性如圖7所示：

這種放大器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是基本放大器要有非常良好的特性，越接近理想放大器越好。在這里，我們發(fā)現(xiàn)，濾波所采用的運(yùn)算放大器芯片AD8007同樣能夠滿足放大器的要求。經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，以AD8007為基本運(yùn)算放大器所設(shè)計(jì)的同相比例放大器有很好的效果。

參考文獻(xiàn)

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