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买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 目     录  摘要  . 1 关键词  . 1 1 前言  . 3 光测距研究及发展现状  . 3 题的研究目的和意义  . 4 题研究的内容  . 7 2 相位式激光测距技术研究  . 7 位式激光测距技术原理  . 7 位式激光测距多测尺原理  . 9 频测相原理  . 11 动增益控制原理  . 12 电探测器  . 13 3 相位式激光测距仪控制电路的设计  . 18 位式激光测距仪的整体设计  . 18 电检测器的选择  . 19 压偏置电路的设计  . 20  度补偿电路  . 23 动增益控制电路 . 27 频电路  . 32 4 相位式激光测距仪软件系统设计  . 34 5 仿真结果及分析  . 35 压偏置电路的仿真结果及分析  . 35 动增益控制电路的仿真结果及分析  . 39 6 结论  . 42买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 参考文献  . 43 致谢  . 43 附录  . 48 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 1 手持式激光测距仪的设计  摘   要 :本文首先介绍了相位式激光测距仪的研究背景、意义,总结和概括了激光测距的有关理论基础,并且介绍了相位式激光测距仪的测距原理,提出了测距系统的实现框图;接着围绕接收系统的性能开展深入研究,主要研究探测器件的选择,偏压电路、混频电路、自动增益控制电路的设计等问题;利用 术对 压电路和自动增益控制电路进行仿真,通过仿真结果不断完善设计 , 并对这一 设计 进行研究、发展和创新,使得测距系统的测量精度得到了很好的保证及提高,降低了硬件成本,简化了控制电路。  关键词 : 激光测距;雪崩二极管;相位;混频;自动增益控制  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 2 of of of a is on of of of on of is of of of we of of 文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 3 1  前言  在各个应用领域中,随着我国科学技术的日益发展,对距离量的测量要求愈来愈高。为了追求测量范围高和测量精度高的结合,人们不停的研究新的测量方法。 20 世纪激光技术作为最重要 的发明之一与原子能、半导体及计算机齐名。三十多年来,以激光器为基础的激光技术在我国迅速发展,导致了光学及其应用技术的巨大革命。  激光与普通光源有显著的差别,所发射的光束具有一系列新的特点:激光有小的发散角,即方向性好或准直性好;激光的单色性好,即相干性好;激光的输出功率虽然有限,但是功率密度很高,一般的激光亮度要比太阳表面的亮度大。上述的激光的特点使其成为测距的理想光源,而半导体激光器功耗小、体积小、光源和调制器合为一体,与此同时,现代电子技术的飞速发展和光电器件性能的不断提高,使激光测距仪成为距离测量的主 要仪器之一。  与其它测距技术相比,激光具有角分辨力高、抗干扰能力强,可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰 1问题,并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点。以上各种原因使得激光测距在测量领域得到了青睐,被迅速推广应用,使激光测距仪成为目前高精度测距最理想的仪器之一。  激光测距研究及发展现状  最早的激光测距技术应用于军事中, 1961 年世界上第一台激光测距机于诞生在美国休斯飞机公司,  1962 年第一台军用激光测距机成功地进行了示范表演,之后该公司相继研制成几种军用激光测距机在 部队进行试验和鉴定,证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。经过 30 年的发展,军用激光测距仪己经更新了两代,研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射 外红宝石激光器和光电倍增管探测器,因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多,很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射 红外钕激光器和硅光电二极管或硅雪崩光电二极管探测器 ,比第一代隐蔽性好、效率高、小巧、耗电少,因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。第三代激光测距机即人眼安全的激光测距机。目前已 研制成工作波长为  三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机,己进入生产和应用阶段。与此同时激光测距技术也逐渐应用到民事领域。  从 20 世纪 70 年代初至今持续了近 30 年,国外许多大学,研究机构和公司都开展了这方面的研究工作。研究最早的是芬兰奥鲁大学电器工程系和芬兰技术研究中心,研究内容从各分系统到整机及其应用,并且与美国、俄罗斯几家著名公司联合开展了应用研究,其产品涉及工业、航天、海洋及机器人视觉等许多方面。美国有多家著名买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 4 公司开展了这方面的研究, 司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置,用于无人看守的海浪测量站;为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统,用于车辆速度和高度的测量。 1992 年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距机,用于对车辆的测距和测速。近十几年来,又有关于几家美国公司开展这方面研究的报道。 1996 年,美国 司推出了测距能力 400m 的 400 型 光测距机 1997 年被评为世界 100 项重要科技成果之一,随后又推出了测距能力 500m 1000m 系列激 光测距机。 1998 年美国 司测距能力为 800 码的摄像机型 D 激光测距仪。最近几年美国公司也相继推出测距能力 1000 米,精度 1 米的手持式望远镜测距仪。 1995 年以来,国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速,已开展了波长在 800围内,峰值功率为 10W,脉冲宽度 20复频率 1量距离 10激光测距机研究 2。  国内激光测距仪样机的研究始于 20 世纪 80 年代,是在原固体、气体激光测距仪基础上发展 起来的。目前,航天科工集团八三五八所研制出测程 200m,精度 复率 100激光测距仪。中科院上海光机所 1996 年研制出便携式半导体激光测距仪,工作波长为 800漫反射水泥墙的测距达 100m,采用 300数方式,测距精度 复频率 1国计量学院 1999 年报道信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距仪,工作波长为 905用测距 1复频率 100度 +500,增益( 控制电压 间不满足线性关系 ,当 526, 526, = 动增益控制电路分析与设计  激光从发射到接收过程中,受半导体激光器发射功率、收发距离远近等各种因素的影响,接收电路所接收的激光信号强弱变化范围很大。需要设计自动增益控制电路使接收电路的增 益随接收信号强弱而自动变化。   60 .1 u  O E V O  B 60 3R 1 1 31 0 0+ 1 0  1 42   1 62   30 .1 u  21 0 0 u  1 02   O E V O  B 60 3R 1 1 72   50 .1 u  41 0 0 u F+ 1 0  1 52   80 .1 u  1 12   1 85   1 91   2 03  K+ 1 0 V+ 1 0 V+ 1 0    G  00 .1 u  90 .1 u o u 9 自动增益控制电路图  9  19 为本设计采用的自动增益控制电路,采用两片 联的方式, 级间采用电容耦合,总增益可达  1、在级联应用中有两种增益控制连接方式:顺序控制方式和并联控制方式 16。  顺序控制方式:优化信噪比,两片 联的顺序控制方式是将两片 G(驱动,而两级的负增益控制 输入端 ( 分别加一个稳定的电压,使  间满足 2*电位差时,则第一级的增益达到最大值时,第二级的增益才从最小值开始提高。  并联控制方式:两片 联的并联控制方式是将两级的正增益控制输入端( 并联形式由一个正电压 动,而两级的负增益控制输入端( 并联形式接地或者加一个稳定的电压,及 是两级的增益同步变化,并联控制方式在线性范围内的控制能力为 80,即在较小的控制电压下便可获得较高买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 31 的增益,但是在并联方式工作时其增益误差是顺序控 制方式的两倍,输出信噪比随着增益的提高而线性下降。  低增益波动方式(最小增益误差方式):由于即使在增益稳定状态下也存在一定的增益误差,且呈现周期性的纹波状态,若设置两片 联时所对应的 间存在合适的电位差(约 便可使两级的增益误差相互抵消,以实现所需增益范围内总增益误差最小。  本设计采取并联控制方式,并且为减小增益误差,由 供所对应的  且  间外接一个电阻增益范围增大。  2、由 原理可知,其增益控制 与输入信 号成反比,便可实现 得 路的增益控制电压,通常采用半波检测电路或 效值)电路。本 设计 给出了一种利用 两只 三极管等组成温度补偿的半波检测电路和两片 用电路 。 ,如 图 示 ,图中由  成一个检波器,用于检测输出信号幅度的变化。流进电容 电流 为  管的集电极电流之差,而且其大小随 出信号的幅度大小变化而变化,这使得加在 大器 1脚的自动增益控制电压 输出信号幅度变化而变化,从而达到自动调整放大器增益的目的 。  39 0 6R 1 1 28 0 6C 3 50 .1 u  91   01   13   0 94   40 .1 u  70 .1 u F+ 1 0 39 0 4F  B A  G CV o u 0 半波检测电路  0 112 的选取由带隙基准原理所确定,适当选择 之满足 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 32 (即 00, 较宽的温度范围内将是稳定的。对方波而言,在输入信号稳定时, 保持稳定,则 Q 在导通的半个周期内发射极电流应为 600是33 ,实际应用中时正弦波并非方波, 推荐值为 806 。另外,改变 值可改变 时间常数, 取值一般在 间 。  混频电路  由第二章的相位式激光测距系统的原理框图可知,混频器是把携带相位信息的主振信号、回波信号分别与本振信号混频,实现主振信号、回波信号的相位从高频搬移到中频上,便于测量发射信号和回波信号的相位差。因此,在系统中同时存在 2 个混频器。混频器 1 实现 15回波信号与 8本振信号的混频,把 15波信号相位信息搬到 15,或者实现 回波信号与 135本振信号的混频,把 波信号相位信息搬到 15 ;混频器 2 实现 15振信号与8本振信号的混频,把 15振信号相位信息搬到 15,振信号与 135本振信号的混频,把 振信号相位信息搬到15。  混频功能一般由乘法器或者其它的非线性元件实现,其电路有晶体三极管混频电路、二极管混频电路和模拟乘法器混频电路等多种形式。设两路混频信号为  三种电路的混频输出频谱如图 21 所示:  图 21 混频电路的频谱输出  1 文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 33 由图 21 可以看出,在以上三种混频电路的频谱输出中,模拟乘法器输出电压不含有信号频率分量,仅还有和频和差频信号,从而降低了滤波的要求。可见模拟乘法器是最好的混频器件,本设计选择模拟乘法器 现混频电路。  模拟乘法器 绍  根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘 四象限的乘法器。   0 0 0  V c 2 部电路图  2 图 22 所示, 三个差对管组成, 输出集电极连至一起以平衡乘法器的输入电压,这样输出信号就是输入信号乘积的常数倍, 其中 5 等组成多路电流源电路, 电流源的基准电路, 别供给 6 管恒值电流 , 外接电阻  ,可用以调节  的大小,另外,由 管的发射极引出接线端 2 和 3,外接电阻 用 负反馈作用,以扩大输入电压动态范围 , 外接负载电阻。其中 8、 10 端为 X 输入端, 4、 1 端为 Y 输入端,12、 6 端为输出端, 5 端接电阻以调节恒值电流的大小, 14 端为电源端。  由对线性直流模拟乘法器的数学分析可知:输出信号的范围仅包含输入信号频率的和与差两部分。所以 用于调制器、混频器、乘法器、倍频器以及其他的需要类似信号特征信号输出的场合。低倍差分放大器的发射极连至芯片的引脚,以便买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 34 外接发射极电阻。同样,在芯片的输出端同样需要外接负载电阻。  混频电路的分析  双差分对模拟相乘器 于 混频电路,主要优点是混频增益大,输出信号频谱纯净、混频干扰小,对本振电压互感器的大小无严格的限制,端口之间隔离度高 17。而且由于乘法器的输出电压不含有信号频率分量,从而降低了滤波的要求。  混频器的实质是对输入的两路信号作乘法运算,提取差频信号来实现混频。如式20 所示:   21212121 2211 c os c 20)  本设计中需要得到 15需要设计振荡频率为 15本设计所采用的混频电路参见附录三。   振回路的设计  振回路就是由电感 和电容串联或者并联行成的回路,只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或者单振荡回路。简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性,这个特定频率称为谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作用,这是本次设计选择它的重要原因,设置它的谐振频率为15可以获得两输入信号的差频信号。  简单谐振回路包括串联谐振回路与并联谐振回路,串联谐振回路适用于电源内阻低的情况或低阻抗的电路,当频率不是非常高时,并联谐振回路应用最广。本设计中15是非常高的频率,故选择并联谐振回路。  谐振 频率为 5回路电容值为  则回路所需的线圈电感值为: ,  回路谐振电阻为: 086。  4  相位式激光测距仪软件系统设计  相位式激光测距仪通过键盘电路作为用户和激光测距仪控制器的操作界面,键盘电路采用的是 4 个独立 键盘电路 , 与   直接相连, 的低四位作为键盘的行驱动线。每隔 40用户 的输人进行正确的识别。接下来程序的工作就是测试输人的任何变化,通过循  环扫描的方式确定 4 个键是那个键按下,计算出按键的扫描码,  执行相应的动作。 初始化做好之后把控制命令发送到激光测距仪,把测量的数据从测距仪接收到单片机中,单片机通过指针访问  储器买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 35 把测量的数据保存在指定的单元中 , 测量的数据保存在相应的单元之后,还要在 段式液晶显示器。通过初始化 向相应的控制口发送控制命令把 的测量数据通过 传到字符  型 显示。通过地址指计访问储器 ,调出相应单元的数据 ,对测量的数据进行查看、删除等操作。  系统软件的设计利用 司的  语言 和 编写的  程序实现所需要的功能,软件系统流程图如下。  程 序 开 始程 序 初 始 化键 按 下等 待测 距L C D 显 示上 翻数 据 上 移下 翻数 据 下 移删 除 清 除 数 据Y E 图 23 系统程序流程图  3   仿真结果及分析  本设计采用 真软件对相位式激光测距仪接收电路中的高压发生电路、自动增益控制电路进行仿真,分别检测高压发生电路能否产生 120 160V 的高压;自动增益控制电路能否对输入信号的幅度进行自动控制。  压偏置电路的仿真结果及分析  如  收放大电路的设计所述, 压偏置电路需产生 120高压,使雪崩二极管达到很高的增益。将图 11 所示的输出反馈回路的利用输出电压至图 10 所示的高压发生电路来控制 555 集成器电路的第 5 脚,使 555 的输出频率以及占空比发生变化,从而控制三极管的导通时间,起到控制输出电压的作用。即对附录二 压发生电路图进行仿真。  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 36 由式( 7)(00 可得,电路输出电压与三极管导通时间 三极管的截止时间 电源提供的电压 关,当 小,而 对比较大时,就能够得到很大的 。但如果 长,那么电流不能持续增长,所以这时候并不能得到较大的输出电压,反而由于频率较小的关系,导致三极管上的功率损耗加大。所以要选择合理的参数值,通过调节三极管的导通时间来较好的控制输出电压。仿真过程中设置V。  再由式( 10) )(3954511re V 和式 ( 11) 2 可得, 仅与   值相关,也与反馈输出电压 关。下面通过不断调整  值,来观察输出电压波形。  设置参数 0K, 2K, 出电压波形为  图 24 高压发生电路输出电压波形一  4 of 由图 24 可以看出, 虽然最后的输出电压值达到设计要求,但是电压增长缓慢,而且在短时间内不能输出稳定的高电压。继续增大 阻值,即继续增大三极管的导通时间。    设置参数 0K, 2K, 出电压波形为:  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 37 图 25 高压发生电路输出电压波形二  5 of 图 25 可以看出输出电压增长速度比图 示加快,在 1s 左右达到 150V 的高压,且 趋于稳定。继续增大 察仿真结果。    设置器件参数 0K, 2K, 出电压波形为:  图 26 高压发生电路输出电压波形三  6 of 由图 26 可以看出输出电压增长速度继续加快,在 900右达到 150V 的高压,且逐渐趋于稳定。继续增大 察仿真结果。    设置器件参数 00K, 2K, 出电压波形为:  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 38 图 27 高压发生电路输出电压波形四  7 of 由图 27 可以看出输出电压增长速度继续加快,在 700右达到 150V 的高压,且趋于稳定。继续增大 察仿真结果。    设置器件参数 50K, 2K, 出电压波形为:   图 28 高压发生电路输出电压波形五  8 of 由图 28 可以看出,反向输出电压从 0V 迅速逐渐增大,且增大速度大于图 压最后稳定在 150V 左右。继续增大 出电压变化不大,说明电路已经达到饱和状态。仿真时设置输入电压为 +5V,则高压发生电路的放大倍数在 32 倍左右,买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 39 满足 偏置电压在 120压的设计要求 。  自动增益控制电路的仿真结果及分析  如 自动增益控制电路 述,设计自动增益控制电路需满足接收电路的增益随着接收信号强弱而自动变化的要求。将图 20 半波检测电路中反馈电压 至图 19 中两片  脚, 检测输出信号幅度的变 化,根据输出信号来改变接收电路的增益。即对附录三所示的自动增益控制电路图进行仿真。  两级的  间外接 10K 的电阻,并在  之间接一个 电容用于频率补偿。即为模式二工作方式,其增益范围为 +3+75带不小于 20此在 20高频率下,改变输入信号的峰峰值,观察输出信号的变化情况。  输入信号小于 10峰值)  图 29 自动增益控制电路输入信号与输出信号比较一  9 of of 图 29 可以看出,当输入信号幅度小于 10,输出信号没有发生变化,即自动增益控制电路不发生作用。增大 输入信号的幅度,观察结果。    输入信号为 10峰值)  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 40 图 30 自动增益控制电路输入信号与输出信号比较二  0 of of 由图 30 可以看出,当输入信号幅度为 10,输出信号为 200右,电路增益约为 13  输入信号为 30峰值)  图 31 自动增益控制电路输入信号 与输出信号比较三  1 of of 由图 31 可以看出,输入信号幅度增大到 30,输出信号约为 610右,电路增益约为 13 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 41  输入信号为 60峰值)  图 32 自动增益控制电路输入信号与输出信号比较四  2 of of 由图 32 可以看出,当输入信号幅度为 60  ,输出信号约为 右,电路增益约为 13 输入信号为 2V(峰峰值)  图 33 自动增益控制电路输入信号与输出信号比较五  3 of of 由图 33 可以看出,输入信号幅度大于 60,输出信号幅度稳定在 右 ,电路增益随着输出信号变化而变化。  总结图 29 33 的仿真结果可得,输入信号在 10下时, 起作用,输出信号不变。输入信号幅度 100,输出信号随着变化,电路增益稳定在 13入信号继续增大时,电路增益随着变化,输出信号不再增大,稳定在 买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 42 右。本设计中 自动增益控制电路 满足 当输入信号电压变化很大时,保持接收机输出电压恒定或基本不变 的要求 。  6  结论  本次设计根据课题要求,深入的学习了相位式激光测距原理后设计出系统框图,并且以现有的测距技术为基础,对相位式激光测距仪的接收电路部分进行了设计并仿真。  设计中主要完成了以下工作:  介绍了本设计所用到的相位式激光测距的一些基础理论。  选择硅 为光电探测器件,并完成了接收放大电路的设计,偏压电路的放大倍数达到 30 倍,输出电压达到 150V 左右,为 益的提高创造了条件。  选用可变增益放大器 计自动增益控制电路,自动控制电路的增益,稳定输出电压,以满足混频器的需要。  选用 差分模拟乘法器设计混频器。混频增益大,输出信号频谱纯净,混频干扰小,并且对本振电压互感器的大小无严格的限制,端口之间隔离度高。  利用 件对 压发生电路和自动增益控制电路进行仿真,不断的改善电路。  实现整个系统的优化和完善还有待日后进一步的研究工作,在以后的学习与研究中,要研究如何减小反向偏置高压引起的纹波电压;设计高频放大滤波电路以减小雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声;利用 件完成对高频滤波电路以及混频电路的仿真工作。特别是在系统硬件实现的同时,需要很好的光学系统与 之相匹配,这样才能进一步提高测距精度,最为关键的是各个模块之间的响应与调试有待优化。  买文档就送您 纸全套, Q 号交流 401339828 或 11970985 43 参考文献  1 孔东 . 相位法激光测距仪的研究 D, 陕西西安 : 西安电子科技大学硕士论文 , 2007 . 2 刘微微 . 便携式短程激光测距仪部分关键电路的设计与研究 D, 黑龙江哈尔滨 : 哈尔滨工业大学硕士论文 , 2007 . 3 丁燕 . 相位法激光测距仪设计及其关键技术研究 D, 上海 : 同济大学硕士论文 , 2007. 4 徐陵 . 相位式半导体激光测距系统的研究 D, 湖北武汉 : 华中科技大学 硕士论文 , 2006. 5 汪友生 , 余小平 . 相位法激光测距的实现 J, 北京工业大学学报 , 2003, 29(4): 4246 曾兴雯 , 刘乃安 , 陈健 . 高频电路原理与分析 M. 陕西西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2006: 2827 吕晓玲 . 半导体激光测距接收系统的研究 D, 吉林长春 : 长春理工大学硕士论文 , 2005.  8 付宝臣 . 高精度激光测距仪硬件电路研究 D, 江苏南京 : 南京理工大学硕士论文 , 2007. 9 王竹霞 . 基于 J, 西安邮电学院学报 , 2007, 12(1): 4110 吕华 . 雪崩二极管 特性与单光子探测研究 D,广东广州 : 华 南理工 大学硕士论文 , 2005.  11 曾毓敏 . 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