相位法激光测距信号源系统研究

相位法激光测距信号源系统研究崔海成学号：201000904（长江大学电子信息学院仪器11001班）【摘要】为了使相位式激光测距获得更好的调制信号源，采用了基于单片机控制DDS芯片AD9851产生频率可调，相位可控的信号源，由于DDS具有噪声低，频率分辨率高，易于编程等优点，根据实际需要，通过给AD9851编程获得不同的频率，满足不同距离的测量。由于获得的信号源中存在着高频杂散信号，设计了最接近理想特性的椭圆低通滤波器，并给出具体的设计步骤，通过Pspice8.0仿真软件仿真出幅频特性曲线，仿真的结果图非常逼近理想特性，为相位法激光测距中调制部分需要高纯度信号源提供前提条件。【关键词】信号源；相位法激光测距；AD9851；椭圆滤波器；Pspice8.0；单片机1引言相位法激光测距技术以其精度高，功率小，角分辨力高，抗干扰能力强，便于数字信息处理而应用越来越广泛。相位法激光测距的原理是半导体激光器从发射端发射某一频率周期变化的调制光波，发出的光波到达被测目标后，通过标靶将入射光波反射回去，在接收端处接收光波的回波，通过相位鉴相器比较接收信号与发射信号的相位差来求出相位差计算出被测的距离。由于相位法激光测距中只能测定其中不足2π相位差的部分，只有当测尺长大于被测距离的时候才能准确地测出待测距离，而测尺长是由调制信号的波长决定的，Cf，其中C是光速，f是调制信号产生的频率。根据距离的大小可以更改调制的波长，换句话说可以改变调制信号的频率。目前，基于相位法激光测距的信号源的产生方法主要有：直接式频率合成法[1]，锁相式频率合成法[2]，以及直接接有源晶振法[3],对于前面的几种方法，由于频率不能随意的更改，精度不高，在相位法激光测距中均未涉及到利用直接数字频率合成技术DDS[4,5]，DDS是以具有频率转换速度快，频率分辨率高。可控制相位，噪声低，信号纯度高，易于编程等优点，可产生宽带正交信号及其其他多种调制信号，广泛应用于通信、雷达等领域。我们引进DDS技术，根据所测得距离大小，通过编程输入频率控制字实时地更改频率，即更改测尺的大小来精确地测出被测的距离，而其他方法每更改一个频率就意味着需要更改大量的复杂电路，后续工作难度大，不能满足精度的要求。本文采用了基于AD9851芯片的频率合成技术，通过单片机编程控制DDS芯片AD9851产生的我们所需的频率。减轻了电路设计的复杂性，也降低了元器件的功耗，有利于获得更好的信号源。由于输出伴随着高频信号的杂散，通过比较三种滤波器，巴特沃思滤波器[6]，切比雪夫滤波器[7]和椭圆滤波器[8-9]，我们选择了最逼近理想特性的椭圆滤波器，并给出了设计的具体步骤，通过Pspice8.0仿真软件仿真出幅频特性图，所设计的波形仿真出图形效果非常好，接近于理想特性的滤波特性。得到更加纯净的调制波形，为相位法激光测距的激光调制部分奠定了良好的基础。2信号源产生系统设计在激光测距系统中，采用相位法的激光测距系统中需要高精度的稳定波形，对激光进行调制。随着数字信号处理（DSP）技术的发展，高精度大动态范围数字模拟转换器（D/A）的出现和广泛使用，针对如上所述的DDS直接数字式合成技术的优点，本文采用了基于DDS芯片AD9851来产生信号源对激光进行调制。图1就是单片机控制信号产生系统，用键盘输入频率控制字，并以液晶模块HG122329-LYH显示频率，使用51单片机控制两个频率合成器AD9851芯片，通过给单片机编程，即可产生我们所需要的正弦波。为相位法激光测距中混频器的两个信号源提供初始相位。两个信号的频率大小由按键来控制，可以根据所需要测的距离输入不同的控制字，并通过与显示器连接显示出频率数字，其中两个AD9851的之间的频率我们设置相差为1K，初始相位都为0。为相位法激光测距的后续填充脉冲法提供前提条件，其中1K是中频信号，通过混频器进行差频测相，差频测相实质就是对两个高频信号相位差的测量转变为对两个低频信号相位差的测量，本文通过两个DDS分别产生了15MHz和15MHz+1KHz的信号，通过混频单元，在保证相位差不变的情况下，对两个15MHz信号的测量转化为对差频1KHz信号的测量，为下一步数据处理单元奠定基础。图1信号源系统3软件设计整个系统的控制核心是单片机，单片机的控制程序主要有完成液晶模块的初始化，使AD9851复位，从键盘读入用户键入的数字并完成十六进制的转换等等。单片机先初始化数据，单片机依次扫描44键盘。当没有按键按下时，液晶模块输出初始化的频率值，信号端输出初始化的频率。当扫描到用户有键盘输入时，单片机根据用户输入的数字，进行转换成十六进制的转换，产生频率控制字，按照AD9851的控制时序图，完成AD9851的频率更新，并显示频率值。流程图见图2。图2流程图4椭圆滤波器的设计4.1低通椭圆滤波器由Nyquist采样定理可知，输出频率越接近Nyquist带宽的高端，采样点数越少，其输出的杂散干扰就越大，其输出信号频率最高值是DDS芯片的时钟频率的一半，但是为了得到较好的输出杂散性能，一般让输出的信号频率小于参考频率的40%，即尽量使采样点数取得多一些，因此AD9851能输出最高频率为72MHz。DDS波形合成技术中低通滤波器的设计尤其重要，滤波特性的优劣对输出信号的性能起着重要的影响。设计时一般可用一个可实现的衰减来逼真理想特性，且应使衰减的变化处在规定的容限之内，根据不同的逼近原则和衰减特性，可选择不同响应的滤波器。低通滤波器的频率响应主要有三种：巴特沃斯滤波器、契比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器。其中巴特沃思滤波器通频带内最为平坦，它的通带内没有波纹，而在趋向阻带时衰减单调增大，过渡带很宽，对于带外干扰信号的衰减作用很弱，不够陡峭。切比雪夫滤波器幅频特性在通带内是等波纹，阻带内是单调的，或是幅频特性在通带内单调，阻带内是等波纹的，过渡带也比较陡峭。椭圆滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，但是过渡带最为陡峭。综合比较三种滤波器，椭圆函数滤波器滤波性能更好，因此，本文采用椭圆函数滤波器[10-12]。本文就此问题提出了设计一个截止频率为15MHz的低通椭圆滤波器，确定滤波器的阶数和拓扑结构，并设计相关参数。要求滤波器有平坦的幅频特性和快速的衰减率，设计的椭圆滤波器的主要指标如下：①电阻R1，R2为200；②阻带：Sff16.8MHz处最小衰减为35dB；③通带15MHz,20%Pff。椭圆滤波器的电路拓扑图如图3，根据电路拓扑图给出椭圆滤波器设计的具体步骤。图3椭圆低通滤波器4.2设计步骤1）将fS对fP进行归一化，得ΩS=fS/fP=1.12。根据参考文献滤波器综合法设计原理中的考尔参数低通滤波器的阶数n与参数ΩS，AS及ρ的曲线图分析中，查出当ρ=20%，A(ρ)=13.9dB，因此AS+A(ρ)=35+13.9=48.9dB2）由上面这个图继续分析得到，横坐标ΩS=1.12和纵坐标48.9dB的交点位于n=6和n=7的两天曲线之间，因此应选取n=7，即一个7阶滤波器。因n为奇数，所以模数k和模角θ可直接由ΩS求得：3）给出部分椭圆参数滤波器7阶的参数表如表1。表17阶椭圆滤波器参数实际上采用的θ应较上值略大，以便过渡带较预定的为窄，这样就可以留有一定的富裕量。在给出部分考尔参数滤波器7阶的数据表2中，ρ=20%一栏的下面，查得在列出的型号中，C07-20-66与上述要求最接近。因此我们选取θ=66°。由表上查出这个滤波器的AS=41.1dB（大于给定的低限35dB）和ΩS=1.095。4）计算出实际截止频率、基准电感和基准电容为：基准电感和基准电容分别为：对滤波器去归一化的公式式中'L、'C是去归一化后的元件值，FSf为频率标度系数（FSF），用C2f表示，Z为阻抗标度系数为200。对低通滤波器的元件进行归一化及去归一化处理。结果如表2所示七阶椭圆滤波器元件参考值。表2七阶椭圆滤波器元件参考值根据以上方法得出的低通椭圆滤波器的元件值，我们还需要能直观地看到滤波器的幅频特性，才能真正知道设计的滤波器性能是否满足设计要求。本文采用Pspice8.0仿真软件进行仿真[13-15]。由图4椭圆低通滤波器幅频特性曲线可知，此椭圆滤波器具有很好的滤波特性，而且非常接近于理想特性滤波器，对抑制高频杂散和系统时钟起到很好的作用。同时实际中，元器件不可能由仿真软件仿真的时候这么理想，通过不断地改变参数值使得实际椭圆滤波器达到最佳理想的效果。图4幅频特性曲线5结束语本文采用了相位法激光测距信号源的研究中利用直接数字频率合成技术，基于单片机控制DDS芯片AD9851，通过给AD9851编程产生频率可调，相位可控的信号源，由于DDS技术的优越性，使得系统结构简单，功耗和噪声小。由于输出的信号源中存在着高频的杂散信号，设计了接近理想特性的椭圆低通滤波器滤除噪声，并给出具体的设计过程，分析比较了各个参数，通过Pspice8.0仿真软件进行仿真，低通滤波特性非常理想，满足了技术和精度要求，为相位法激光测距中需要高纯度的信号源设计方法提供了一种新的思路。参考文献[1]张有正，陈尚勤，周正中.频率合成技术[M]．北京：人民邮电出版社，1984：531-670．[2]张冠百.锁相与频率合成技术[M]．北京：电子工业出版社，1995：34-75．[3]张加良.相位法激光测距仪的研究[D]．西安：西安电子科技大学，2006．[4]石雄.直接数字频率合成技术的研究与应用[D].武汉：华中科技大学，2007．[5]邵翠平，符气叶.基于直接数字频率合成技术的信号发生器[J]．中国集成电路，2008，（111）．[6]黄同，王海军，樊延虎.基于Matlab的巴特沃思数字滤波器设计[J]．延安大学学报，2008，27（3）．[7]吴小役，李长红，靳小军．切比雪夫滤波器在PMSM伺服系统中的应用[J]．电力电子技术，2006，40（1）．[8]彭辉生，陈永泰．DDS信号发生器中椭圆低通滤波器的设计[J]．电子元气件应用2007，9（4）．[9]刘抒珍，童子权．DDS波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计[J]．哈尔滨理工大学学报，2004，9（5）．[10]黄席椿，高顺泉．滤波器综合法设计原理[M]．北京：人民邮电出版社，1978：196-261．[11]吴胜阳.椭圆函数低通滤波器的设计[J]．新乡学院学报