相位法激光測(cè)距信號(hào)源系統(tǒng)研究

相位法激光測(cè)距信號(hào)源系統(tǒng)研究崔海成學(xué)號(hào)：201000904（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院儀器11001班）【摘要】為了使相位式激光測(cè)距獲得更好的調(diào)制信號(hào)源，采用了基于單片機(jī)控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率可調(diào)，相位可控的信號(hào)源，由于DDS具有噪聲低，頻率分辨率高，易于編程等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要，通過給AD9851編程獲得不同的頻率，滿足不同距離的測(cè)量。由于獲得的信號(hào)源中存在著高頻雜散信號(hào)，設(shè)計(jì)了最接近理想特性的橢圓低通濾波器，并給出具體的設(shè)計(jì)步驟，通過Pspice8.0仿真軟件仿真出幅頻特性曲線，仿真的結(jié)果圖非常逼近理想特性，為相位法激光測(cè)距中調(diào)制部分需要高純度信號(hào)源提供前提條件。【關(guān)鍵詞】信號(hào)源；相位法激光測(cè)距；AD9851；橢圓濾波器；Pspice8.0；單片機(jī)1引言相位法激光測(cè)距技術(shù)以其精度高，功率小，角分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，便于數(shù)字信息處理而應(yīng)用越來越廣泛。相位法激光測(cè)距的原理是半導(dǎo)體激光器從發(fā)射端發(fā)射某一頻率周期變化的調(diào)制光波，發(fā)出的光波到達(dá)被測(cè)目標(biāo)后，通過標(biāo)靶將入射光波反射回去，在接收端處接收光波的回波，通過相位鑒相器比較接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差來求出相位差計(jì)算出被測(cè)的距離。由于相位法激光測(cè)距中只能測(cè)定其中不足2π相位差的部分，只有當(dāng)測(cè)尺長(zhǎng)大于被測(cè)距離的時(shí)候才能準(zhǔn)確地測(cè)出待測(cè)距離，而測(cè)尺長(zhǎng)是由調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)決定的，Cf，其中C是光速，f是調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的頻率。根據(jù)距離的大小可以更改調(diào)制的波長(zhǎng)，換句話說可以改變調(diào)制信號(hào)的頻率。目前，基于相位法激光測(cè)距的信號(hào)源的產(chǎn)生方法主要有：直接式頻率合成法[1]，鎖相式頻率合成法[2]，以及直接接有源晶振法[3],對(duì)于前面的幾種方法，由于頻率不能隨意的更改，精度不高，在相位法激光測(cè)距中均未涉及到利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS[4,5]，DDS是以具有頻率轉(zhuǎn)換速度快，頻率分辨率高?？煽刂葡辔唬肼暤?，信號(hào)純度高，易于編程等優(yōu)點(diǎn)，可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其其他多種調(diào)制信號(hào)，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。我們引進(jìn)DDS技術(shù)，根據(jù)所測(cè)得距離大小，通過編程輸入頻率控制字實(shí)時(shí)地更改頻率，即更改測(cè)尺的大小來精確地測(cè)出被測(cè)的距離，而其他方法每更改一個(gè)頻率就意味著需要更改大量的復(fù)雜電路，后續(xù)工作難度大，不能滿足精度的要求。本文采用了基于AD9851芯片的頻率合成技術(shù)，通過單片機(jī)編程控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生的我們所需的頻率。減輕了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也降低了元器件的功耗，有利于獲得更好的信號(hào)源。由于輸出伴隨著高頻信號(hào)的雜散，通過比較三種濾波器，巴特沃思濾波器[6]，切比雪夫?yàn)V波器[7]和橢圓濾波器[8-9]，我們選擇了最逼近理想特性的橢圓濾波器，并給出了設(shè)計(jì)的具體步驟，通過Pspice8.0仿真軟件仿真出幅頻特性圖，所設(shè)計(jì)的波形仿真出圖形效果非常好，接近于理想特性的濾波特性。得到更加純凈的調(diào)制波形，為相位法激光測(cè)距的激光調(diào)制部分奠定了良好的基礎(chǔ)。2信號(hào)源產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)在激光測(cè)距系統(tǒng)中，采用相位法的激光測(cè)距系統(tǒng)中需要高精度的穩(wěn)定波形，對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制。隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，高精度大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）的出現(xiàn)和廣泛使用，針對(duì)如上所述的DDS直接數(shù)字式合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文采用了基于DDS芯片AD9851來產(chǎn)生信號(hào)源對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制。圖1就是單片機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，用鍵盤輸入頻率控制字，并以液晶模塊HG122329-LYH顯示頻率，使用51單片機(jī)控制兩個(gè)頻率合成器AD9851芯片，通過給單片機(jī)編程，即可產(chǎn)生我們所需要的正弦波。為相位法激光測(cè)距中混頻器的兩個(gè)信號(hào)源提供初始相位。兩個(gè)信號(hào)的頻率大小由按鍵來控制，可以根據(jù)所需要測(cè)的距離輸入不同的控制字，并通過與顯示器連接顯示出頻率數(shù)字，其中兩個(gè)AD9851的之間的頻率我們?cè)O(shè)置相差為1K，初始相位都為0。為相位法激光測(cè)距的后續(xù)填充脈沖法提供前提條件，其中1K是中頻信號(hào)，通過混頻器進(jìn)行差頻測(cè)相，差頻測(cè)相實(shí)質(zhì)就是對(duì)兩個(gè)高頻信號(hào)相位差的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)兩個(gè)低頻信號(hào)相位差的測(cè)量，本文通過兩個(gè)DDS分別產(chǎn)生了15MHz和15MHz+1KHz的信號(hào)，通過混頻單元，在保證相位差不變的情況下，對(duì)兩個(gè)15MHz信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)差頻1KHz信號(hào)的測(cè)量，為下一步數(shù)據(jù)處理單元奠定基礎(chǔ)。圖1信號(hào)源系統(tǒng)3軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，單片機(jī)的控制程序主要有完成液晶模塊的初始化，使AD9851復(fù)位，從鍵盤讀入用戶鍵入的數(shù)字并完成十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換等等。單片機(jī)先初始化數(shù)據(jù)，單片機(jī)依次掃描44鍵盤。當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，液晶模塊輸出初始化的頻率值，信號(hào)端輸出初始化的頻率。當(dāng)掃描到用戶有鍵盤輸入時(shí)，單片機(jī)根據(jù)用戶輸入的數(shù)字，進(jìn)行轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生頻率控制字，按照AD9851的控制時(shí)序圖，完成AD9851的頻率更新，并顯示頻率值。流程圖見圖2。圖2流程圖4橢圓濾波器的設(shè)計(jì)4.1低通橢圓濾波器由Nyquist采樣定理可知，輸出頻率越接近Nyquist帶寬的高端，采樣點(diǎn)數(shù)越少，其輸出的雜散干擾就越大，其輸出信號(hào)頻率最高值是DDS芯片的時(shí)鐘頻率的一半，但是為了得到較好的輸出雜散性能，一般讓輸出的信號(hào)頻率小于參考頻率的40%，即盡量使采樣點(diǎn)數(shù)取得多一些，因此AD9851能輸出最高頻率為72MHz。DDS波形合成技術(shù)中低通濾波器的設(shè)計(jì)尤其重要，濾波特性的優(yōu)劣對(duì)輸出信號(hào)的性能起著重要的影響。設(shè)計(jì)時(shí)一般可用一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的衰減來逼真理想特性，且應(yīng)使衰減的變化處在規(guī)定的容限之內(nèi)，根據(jù)不同的逼近原則和衰減特性，可選擇不同響應(yīng)的濾波器。低通濾波器的頻率響應(yīng)主要有三種：巴特沃斯濾波器、契比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器。其中巴特沃思濾波器通頻帶內(nèi)最為平坦，它的通帶內(nèi)沒有波紋，而在趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，過渡帶很寬，對(duì)于帶外干擾信號(hào)的衰減作用很弱，不夠陡峭。切比雪夫?yàn)V波器幅頻特性在通帶內(nèi)是等波紋，阻帶內(nèi)是單調(diào)的，或是幅頻特性在通帶內(nèi)單調(diào)，阻帶內(nèi)是等波紋的，過渡帶也比較陡峭。橢圓濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，但是過渡帶最為陡峭。綜合比較三種濾波器，橢圓函數(shù)濾波器濾波性能更好，因此，本文采用橢圓函數(shù)濾波器[10-12]。本文就此問題提出了設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為15MHz的低通橢圓濾波器，確定濾波器的階數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。要求濾波器有平坦的幅頻特性和快速的衰減率，設(shè)計(jì)的橢圓濾波器的主要指標(biāo)如下：①電阻R1，R2為200；②阻帶：Sff16.8MHz處最小衰減為35dB；③通帶15MHz,20%Pff。橢圓濾波器的電路拓?fù)鋱D如圖3，根據(jù)電路拓?fù)鋱D給出橢圓濾波器設(shè)計(jì)的具體步驟。圖3橢圓低通濾波器4.2設(shè)計(jì)步驟1）將fS對(duì)fP進(jìn)行歸一化，得ΩS=fS/fP=1.12。根據(jù)參考文獻(xiàn)濾波器綜合法設(shè)計(jì)原理中的考爾參數(shù)低通濾波器的階數(shù)n與參數(shù)ΩS，AS及ρ的曲線圖分析中，查出當(dāng)ρ=20%，A(ρ)=13.9dB，因此AS+A(ρ)=35+13.9=48.9dB2）由上面這個(gè)圖繼續(xù)分析得到，橫坐標(biāo)ΩS=1.12和縱坐標(biāo)48.9dB的交點(diǎn)位于n=6和n=7的兩天曲線之間，因此應(yīng)選取n=7，即一個(gè)7階濾波器。因n為奇數(shù)，所以模數(shù)k和模角θ可直接由ΩS求得：3）給出部分橢圓參數(shù)濾波器7階的參數(shù)表如表1。表17階橢圓濾波器參數(shù)實(shí)際上采用的θ應(yīng)較上值略大，以便過渡帶較預(yù)定的為窄，這樣就可以留有一定的富裕量。在給出部分考爾參數(shù)濾波器7階的數(shù)據(jù)表2中，ρ=20%一欄的下面，查得在列出的型號(hào)中，C07-20-66與上述要求最接近。因此我們選取θ=66°。由表上查出這個(gè)濾波器的AS=41.1dB（大于給定的低限35dB）和ΩS=1.095。4）計(jì)算出實(shí)際截止頻率、基準(zhǔn)電感和基準(zhǔn)電容為：基準(zhǔn)電感和基準(zhǔn)電容分別為：對(duì)濾波器去歸一化的公式式中'L、'C是去歸一化后的元件值，F(xiàn)Sf為頻率標(biāo)度系數(shù)（FSF），用C2f表示，Z為阻抗標(biāo)度系數(shù)為200。對(duì)低通濾波器的元件進(jìn)行歸一化及去歸一化處理。結(jié)果如表2所示七階橢圓濾波器元件參考值。表2七階橢圓濾波器元件參考值根據(jù)以上方法得出的低通橢圓濾波器的元件值，我們還需要能直觀地看到濾波器的幅頻特性，才能真正知道設(shè)計(jì)的濾波器性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。本文采用Pspice8.0仿真軟件進(jìn)行仿真[13-15]。由圖4橢圓低通濾波器幅頻特性曲線可知，此橢圓濾波器具有很好的濾波特性，而且非常接近于理想特性濾波器，對(duì)抑制高頻雜散和系統(tǒng)時(shí)鐘起到很好的作用。同時(shí)實(shí)際中，元器件不可能由仿真軟件仿真的時(shí)候這么理想，通過不斷地改變參數(shù)值使得實(shí)際橢圓濾波器達(dá)到最佳理想的效果。圖4幅頻特性曲線5結(jié)束語(yǔ)本文采用了相位法激光測(cè)距信號(hào)源的研究中利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，基于單片機(jī)控制DDS芯片AD9851，通過給AD9851編程產(chǎn)生頻率可調(diào)，相位可控的信號(hào)源，由于DDS技術(shù)的優(yōu)越性，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗和噪聲小。由于輸出的信號(hào)源中存在著高頻的雜散信號(hào)，設(shè)計(jì)了接近理想特性的橢圓低通濾波器濾除噪聲，并給出具體的設(shè)計(jì)過程，分析比較了各個(gè)參數(shù)，通過Pspice8.0仿真軟件進(jìn)行仿真，低通濾波特性非常理想，滿足了技術(shù)和精度要求，為相位法激光測(cè)距中需要高純度的信號(hào)源設(shè)計(jì)方法提供了一種新的思路。參考文獻(xiàn)[1]張有正，陳尚勤，周正中.頻率合成技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，1984：531-670．[2]張冠百.鎖相與頻率合成技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995：34-75．[3]張加良.相位法激光測(cè)距儀的研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2006．[4]石雄.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007．[5]邵翠平，符氣葉.基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器[J]．中國(guó)集成電路，2008，（111）．[6]黃同，王海軍，樊延虎.基于Matlab的巴特沃思數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J]．延安大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（3）．[7]吳小役，李長(zhǎng)紅，靳小軍．切比雪夫?yàn)V波器在PMSM伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電力電子技術(shù)，2006，40（1）．[8]彭輝生，陳永泰．DDS信號(hào)發(fā)生器中橢圓低通濾波器的設(shè)計(jì)[J]．電子元?dú)饧?yīng)用2007，9（4）．[9]劉抒珍，童子權(quán)．DDS波形合成技術(shù)中低通橢圓濾波器的設(shè)計(jì)[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，9（5）．[10]黃席椿，高順泉．濾波器綜合法設(shè)計(jì)原理[M]．北京：人民郵電出版社，1978：196-261．[11]吳勝陽(yáng).橢圓函數(shù)低通濾波器的設(shè)計(jì)[J]．新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)