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基于CPLD的激光相位法测距

一、激光相位式测距的工作原理调制发射光波与接收光波的相位变化

二、差频测相为了提高测距的分辨率和精确度，调制的频率一般选择都较高，需将参考信号(也称基准信号)和测距信号(也称被测信号)变成中频或低频信号。差频测相原理图示

主振调制信号基准振荡器的号输出差频参考信号er和差频测量信号es

检相脉冲宽度在“开门”时间内，计数器得到的单次检相脉冲数自动数字检相法原理图闸门时间内，检相次数n可表示为：总脉冲数

该分辨率是由(时标脉冲频率）、_/；(差频信号频率）和(高频调制频率）三者共同决定的。填充脉冲频率越高，检相精度也越高。在本系统中，正是利用了高速CPLD实现高频脉冲的填充，来提高测量精度的。

反射面频率综合电路激光调制发射频率切换控制内光路光电接收前置放大光电接外光路收前置放大本振单片机参考测量系统控制与数据处理50M带通5M带通滤波器50M带通5M带通滤波器滤波器滤波器计数值驱动控制整形通选参道择测量放大整形考放大整形CPLD差频与数字检测系统方案总体框图

(1)频率综合电路采用了频率切换速度快、分辨率高的两片DDS芯片分别产生本振信号和主振调制信号，均为正弦波，并由单片机控制，实现精尺频率与测尺频率的快速切换。(2)激光调制发射电路的激光器釆用半导体激光二极管，属于电流驱动，主振调制电压信号经过一个跨导器件OPA2662得到调制电流信号，与直流偏置电路共同实现激光器的调制发射。(3)采用内外光路的“双路比较法”设计，尽量消除光路和电路带来的附加相移，减小系统误差。

(4)接收部分使用PIN光电二极管，经前置放大后，使用MFB带通滤波提取有用信号，精尺频率与粗尺频率经过通道切换幵关后采用同一组放大整形电路，减小系统复杂度，缩小电路板面积，节约成本。(5)在高速CPLD内部实现参考信号与本振信号的差频、测量信号与本振信号的差频，两个差频采用自动数字检相法得到填充脉冲的计数值。(6)单片机作为主控芯片，用于控制DDS芯片、驱动CPLD检相器、数据处理与显示，并可通过串口将测量结果发送至PC机。

主要元件：两片AD9954（直接数字式频率合成器），ATM128单片机，EPM--240T100C5N，液晶显示器LCD12864，开关电容芯片LM2662，低压差电压调节芯片LM1117，LM2596-5.0（开关电压调节器），电平转换芯片MAX3232和DB9的串口线接口，高速比较器芯片AD8611，高速电流反馈宽带运放AD8001单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636，电压反馈放大器AD8045，激光二极管BOS650010，双路、宽带跨导运算放大器OPA2662

1、频率综和电路具体设计指标：产生5MHz，50MHz,5.001MHz,50.0001MHz的频率；可在低频与高频间快速切换；电压幅度为-500mV~500mV。

信号源产生的电路原理图

2、激光调制电路具体的设计指标为：激光光源为常见的红色可见激光；偏置电流为30mA;调制电流幅度约为8mA。选择的激光二极管是BOS650010，AD9954的输出经过低通滤波器滤波之后得到的主振调制信号为电压信号，然而LD的调制特性需要的是电流信号，故使用宽带跨导运算放大器OPA2662，来得到电流调制信号。

激光调制发射电路

3光电检测电路设计指标为：有效输出信号峰峰值大于20rnV;响应速度小于20ns。

4带通滤波器的设计具体的设计指标为：中心频率放大倍数均约为3倍；品质因素50MHz时约为2.5MHz时约为3。使用MFB二阶有源带通滤波器

5频率通道选择电路设计接收系统的通道选择器件选择了ADI公司的双通道单刀双掷（SPDT)模拟开关ADG636接收系统基本结构图

模拟开关切换电路

6、CPLD电路设计具体的设计指标：电路I/O口为LVTTL电平；计数频率大于100MHZ在该系统中，差频系统与检相系统都是在CPLD内部实现

CPLDEPM240核心电路

7、单片机相关电路设计单片机为ATM128

单片机及其外围电路

8、电源模块设计整个系统所需的电源电压有+9V,+5V,-5V,+3.3V和+1.8V。其中+9V可由交流转直流的变压器提供，也可由蓄电池提供，而其它电源则由+9V转化而来。（1）+5V电源二极管为常用的1N5824，开关电压调节器LM2596+5V电源产生电路

（3）+3.3V主要用于单片机STC12LE5A16S2，CPLD器件EPM:240T100C5N以及AD9954的I/O口供电（2）-5V电源开关电容芯片LM2662-5V电源产生电路+3.3V电源产生电路

（4）+1.8V主要用于DDS芯片AD9954的内核供电+1.8V电源产生电路本系统量程在25m以内测量精度可达0.1mm

谢谢