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相位式激光测距系统电路温度特性仿真分析

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第16卷第33期2016年11月 科学技术与工程 Vol_16 No.33 NOV.2016 1671—1815(2016)33—0210-05 Science Technology and Engineering ⑥2016 Sci.Tech.Engrg. 电子技术、通信技术 相位式激光测距系统电路温度特性仿真分析 马亚松韩焱谭晓瑞 (中北大学信息探测与处理技术研究所,太原030051) 摘要为了分析温度对相位式激光测距系统电路相位的影响,采用Pspice电路仿真软件对相位式激光测距接收电路进行 建模。分别对放大电路模块、自动增益控制模块、混频与选频网络在不同温度下进行频率特性仿真分析,得到各个电路模块 在不同温度下10 MHz频率处的相位延迟。仿真结果表明,不同温度下相位式激光测距接收电路的相位延迟是不同的。最 后,采用相位式激光测距系统电路进行测试实验,使用数据采集模块对信号连续采集,通过matlab对采集的数据进行读取并 计算不同温度下的相位延迟,实际测试结论验证了仿真分析的正确性。 关键词 激光测距中图法分类号Pspice 自动增益控制 文献标志码A 频率特性 matlab TN722; 相位式激光测距最大的优点是具有更高的精 热来达到高精度的测量。因此,对其温度特性的研 究具有重要的意义及实用价值。 度,速度快,但是存在最大可测距离和测距分辨率之 间的矛盾…。相位式激光测距在航空航天、工业测 控、军事、地形测量等领域得到广泛的应用 j。国 外激光测距的研究始于20世纪60年代,经过30多 年的发展,考虑到人眼安全 J,激光测距已经更新 到第三代,测距精度可以达到毫米级别。国内厂家 给出的测距参数误差已经可以达到毫米级别,但是, 国内外主要通过完善鉴相算法来达到更高精度的测 量 ,根据误差大小在算法中进行校正分析来提高 精度。 在相位式激光测距系统测试实验中,测量同一 距离,发现在不同环境温度下所测误差不同,针对这 问题,本文创新性的分析温度对相位式激光测距 系统接收电路相位的影响,从源头上减小相位偏移。 目前,国内外仅仅研究温度对电路噪声、稳定性、温 漂特性等性能的影响。。 ,对于测距电路,没有专门 针对温度对相位变化进行研究,只是通过算法校正 测距误差,而本文通过分析不同温度下各个电路模 块的相位延迟,可以更直观的得到测距电路本身的 误差,针对电路相位信息随温度变化敏感的元器件, 可以采用其他不敏感元器件代替,从而可以大大改 善测距的精度,其次可以通过控制温度或者开机预 一1 相位式激光测距系统电路模块 1.1测距系统总体方案 测距系统由低抖动、低噪声PLL时钟发生模 块,激光发射驱动电路,光电流转换电路,信号调理 电路,}昆频选频网络以及数据采集处理模块组成。 系统组成框图如图1所示。 图1系统组成 Fig.1 System composition 1.2光电子接收电路 光信号经PIN光电探测器转换成电信号,光电 前端放大电路采用ADI公司的快速场效应管跨导 运算放大器ADA4817—1,它是一款高速、低噪声、低 2016年6月12日收到 国家自然科学基金(61471325)、 (201214201 10006)资助 高等学校博士学科点专项科研基金(博导类) 第一作者简介:马亚松(1990一),男,硕士研究生。研究方向:硬件 失真的运算放大器,适合光电二极管前置放大、数据 采集前端、ADC驱动等。它的部分特性如下:一3 dB带宽1 050 MHz,低电压噪声密度、低失真一90 dBc@10 MHz,高输出驱动电流40 mA,高压摆率 870 V/ ̄zs。跨导放大电路基本传递函数如式(1) 所示。 电路开发设计,信号处理,无线传感器网络。E—mail:mys—nuc @126.con 33期 马亚松,等:相位式激光测距系统电路温度特性仿真分析 211 = 式(1)中,pho 。为光电二极管的输出电流,Rr和C 的 并联组合设置信号带宽。光电前端放大电路如图2 所示。 OTo 5 V 图2光电前端放大电路 Fig.2 Front end ampliifer circuit 系统选择2 kQ的反馈电阻,对探测转换后的微 弱电流信号进行2 000倍的放大,使输出信号幅度 可以达到50 mV。 1.3自动增益控制电路 自动增益控制电路,使放大电路的增益可以随 输入信号幅度大小而自动调节从而使输出信号幅值 稳定。自动增益控制电路由控制电压电路和增益受 控放大电路两部分组成,增益受控放大电路通过改 变控制电压而改变增益。考虑到电路简洁以及成 本,系统选择控制可变电阻来实现控制电压的变化, 从而控制信号增益。 系统自动增益电路采用TI公司的可变增益放 大器LMH6505,该器件是一款高动态范围的低功耗 宽带高速放大器 J,增益可调整范围为80 dB,低增 益时一3 dB带宽为150 MHz,压摆率为1 500 v/ s, 能适应一般中频信号接收机对自动增益控制电路的 要求。系统通过控制滑动变阻器的阻值来改变控制 引脚的控制电压,从而改变可变增益放大器的放大 倍数 J,实现电压增益的控制,直到输出信号的幅 值符合系统要求。AGC调理电路输出信号幅度为 10~100 mV,实验中使其稳定在50 mV左右,由于 混频模块的输人信号幅度要求1 V,因此经过AGC 调理后的电路还需进行后级放大。后级放大电路选 择AD公司的800 MHz宽频带的电流反馈放大器 AD8001。AD8001是一款高速、稳定、低功耗、低失 真的电流反馈运算放大器,5.5 mA电源输入电流功 耗55 mw,放大倍数为1时,一3 dB带宽为880 MHz,压摆率1 200 V/ s,10 ns稳定时间,输出驱动 电流70 mA。自动增益控制电路如图3所示。 图3自动增益控制电路 Fig.3 Automatic gain control circuit 1.4混频及采集前端放大电路 10 MHz信号经过后级放大电路之后,由于频率 过高,不利于数据采集,因此需要经过混频处理。系 统中接收的信号经调理电路后与9.995 MHz频率 的正弦波信号经过混频电路和选频网络,使其频率 降到5 kHz,便于后期的信号采集及信号处理。混 频电路只是产生频率搬移¨ ,相位信息并没有变 化。信号经过混频后,需要选频单元以让有效信号 通过,系统中选频网络采用了传输增益大于1且无 相位变化的RC带通选频电路 。由于选频后的 信号只有40 mV,不利于直接采集,因此需要采集前 端放大电路,把信号放大到1 V左右,从而提高信噪 比,便于之后的数据采集以及提高相位差计算精度。 采集前端放大电路选用AD公司的AD8056运算放 大器_】 ,它是一款低功耗,低噪声的电压反馈运算 放大器,±5 V电源,一3 dB带宽是300 MHz(G= +1),压摆率是1 400 V/ s。混频与选频网络及采 集前端放大电路图如图4所示。 图4混频及采集前端放大电路 Fig.4 Mixer and acquisition front end amplifier circuit 2调理电路Pspice温度仿真分析 电路设计辅助软件成为不可或缺的强大工具。 Pspice是一款功能强大,应用广泛的电子电路仿真 藩212 科学技术与工程 l6卷 软件,可以对仿真电路进行瞬态分析、直流分析、交 流分析、傅里叶分析、噪声分析、灵敏度分析以及在 不同温度下的电路性能分析¨ 。通过对电路的频 域分析,时域分析,噪声分析及温度特性进行仿真分 析研究,有利于电路的设计、分析和优化 。由于 相位式激光测距接收电路各模块的分析步骤类似, 在此,不逐一进行分析,重点分析自动增益控制电路 及其后级放大电路部分。 2.1 自动增益控制电路仿真分析 自动增益控制电路的Pspice仿真模型如图5所 示。在软件中建立自动增益控制电路仿真模型,对 其进行交流分析和温度分析,温度从零下10摄氏度 升高到60摄氏度,交流分析的起始频率为0.1 Hz, 终止频率为500 MHz,其中在20度下的相频特性曲 线如图6所示,在图中可以看出,10 MHz频率处的 相位为一6.913 0。。不同温度的仿真结果如表l所 示,通过数据可知,温度对光电流放大电路的相位没 有影响。在2O摄氏度下的相频特性曲线如图6 所示。 图5自动增益控制电路 Fig.5 Automatic gain control circuit i(1o 酊 1 9瑚 …。 l 、 | | a p( 《。ut)) 频率 图6相频特性曲线 Fig.6 Phase ̄equency characteristic curve 不同温度下10 MHz频率处的仿真结果如表1 所示。通过仿真数据分析可以得到,温度对自动增 益控制电路的相位影响较大,温度每改变1O℃,相 位改变约0.256。,对应的距离测量值就改变2 cm, 表1不同温度下的相位 Table 1 Phase at different temperatures 温度/℃ 一10 0 10 20 相位/(。) 一9.051 —9.285 —9.526 —9.774 温度/℃ 30 40 5O 60 相位/(。) 一10.030 —10.294 —10.549 —10.808 因此自动增益控制电路对测距精度影响很大,引入 较大的测距误差。 2.2后级放大电路仿真分析 后级放大电路Pspice仿真电路模型如图7所 示。在20 ̄C下的相频特性曲线如图8所示。 图7 AD8001放大电路 Fig.7 AD8001 amplifier circuit -0  :…- ;(10 00 q )M,一2 5259)  : :-50 ; 1OO  :— : ; i1OHz 100Hz 10ld{z 1 0MHz 1OOMHz 1 0GHz atp( ̄t,(out)) 频率 图8相频特性曲线 Fig.8 Phase ̄equency characteristic curve 通过仿真分析可知,不同温度下10 MHz频率 处的相位如表2所示。根据仿真数据分析可以得 到,温度对AD8001后级放大电路的相位影响较小, 温度每改变10℃,相位改变约0.044 5。,对应的距 离测量值就改变3.7 mm,因此后级放大电路对测距 精度影响不大。 表2不同温度下的相位 Table 2 phase at diferent temperatures 温度/oC 一10 0 10 20 相位/(。) 一2.392 3 —2.436 8 —2.481 4 —2.525 9 温度/℃ 30 40 50 60 相位/(。) 一2.570 4 —2.614 9 —2.659 4 —2.703 9 33期 马亚松,等:相位式激光测距系统电路温度特性仿真分析 213 相位式激光测距电路各模块的仿真分析结果表 明,光电流放大电路模块对温度的改变没有任何影 响,其相位不会改变;温度对混频和选频模块的相位 影响不大;自动增益电路及其后级放大电路对温度 敏感,不同温度对其相位影响较大。通过对接收电 路各模块的仿真分析总结,叠加各个模块随温度变 化而产生的相位改变,可以得到,温度每升高10℃, 接收电路产生0.319 7。的相位变化,即产生2.66 cm 的测距误差,影响距离测量的精度。 3 数据处理 为了验证仿真结果的正确性,由于不具备设定 接收电路工作温度的条件,实际实验中,电路从接通 电源工作后,芯片会有温度上升的阶段,实验中,通 过采集这一阶段的数据,并用matlab读出采集的数 据,编写程序,计算不同时刻的相位。为了观察相位 随温度的变化,采集模块的采样频率设为100 kHz, 采样时间2 000 s,采用内积鉴相法 ’ J,在matlab 中编写程序求相位,对于采集得到的数据,每2000 个点为一组,计算一次相位,共计算100 000次,把 计算得到的不同组的相位画图描述。在室温下(测 得温度为18℃)进行实验并对数据采集,通过mat— lab读回来的其中一组采集波形如图9所示,通过图 9可以看出信号波形很好且两信号有相位差,不同 温度下的相位曲线图如图1O所示。为了分析系统 电路工作稳定后,即温度恒定的条件下相位的变化, 实验中让系统电路工作20 min后接通数据采集模 块开始采集数据,同样采样2 000 s,在matlab中每2 000个点计算一次相位,得到如图11的结果。 图9局部放大后的信号波形 Fig.9 Signal waveform after local ampliifcation 在室外(实测温度为零下16℃),数据采集模 块对系统电路同样采集2 000 s,通过matlab计算的 不同时间的电路相位曲线图如图12所示。 通过图10、图l2可知,随着电路工作时间的延 长,电路的相位随之变化。电路工作的开始阶段,由 于温度升高比较快,因此相位变化比较快,随着电路 图10室内相位曲线图 Fig.10 Indoor phase diagram e 一 罂 图11 20 min后相位曲线图 Fig.1 1 The phase diagram after twenty minutes 图12室外相位曲线图 Fig.12 Outdoor phase diagram 工作时间的延长,大概工作20 min以后,电路的温 度趋于稳定状态,不在升高,因此相位也会保持相对 稳定状态。 实验测量结果表明,随着温度的升高,该相位式 激光测距电路的相位也随之发生改变,对测距精度 有很大的影响。因此在实际测试中,必须使电路工 作稳定后,温度基本不再发生变化,此时,相位基本 稳定,可以减小测距的误差。通过实验及仿真分析, 可以通过控制温度及采用温度不敏感的集成电路芯 片来提高相位式激光测距的测量精度。此外,通过 matlab读取的采集波形来看,该电路信号稳定、精 确,系统电路性能稳定,有良好的的应用价值。 4 结束语 本文通过Pspice仿真软件建立了系统接收电 214 科学技术与工程 16卷 路各模块的仿真模型,创新性的分析温度对接收电 路相位的影响。实际电路测试实验结果论证了仿真 分析的温度对i见0距接收电路相位的影响。通过分析 各模块对温度的敏感程度,可以通过替换芯片以及 control based on controllable gain operation ampliier Jourfnal of De tection&Con ̄ol,201 1;01:6—8,13 8李怀良.中低频宽动态范围AGC放大器设计. 电测与仪表 2013:2:96--99 Li Huailiang.Design of LMF nd wiade dynamic range AGC ampliier.f Electicalr Measurement&Instrumentation.2013:2:96—_99 开机预热来达到更高精度的测量。之后需要改进的 是选择相位改变更低的自动增益控制电路,达到高 精度的距离测量。 参考文献 9范圆圆.基于双频调制信号的相位法距离测量研究.中北大 学.2014 Fan Yuanyuan.Study of phase distance measurement based on dual— requency modulfated signals.North University of China,2014 10 Xu F,Hu S,Yang Y,et a1.Single closed firnge pattern phase de— 1 贾方秀.多频调制的相位法激光测距中若干关键技术研究.哈 尔滨:哈尔滨工业大学,2010 Jia Fangxiu.Research on key technologies of phase—shift laser range inder fwith multi—requency modulfation.Harbin:Harbin Institute of Technology,2010 modulation in alinmentg of nanolithography.Optik,2013;124(9): 818—823 1 1 Brown J D,Abouei J,Plataniotis K N,et a1.Adaptive demodulation in differentillay coherent phase systems:desin and pergformance a— nalysis.IEEE Transactions on Communications,201 1;59(7): l772—1778 2 Liao Ping,Cai Yuxin.Improved design of phase laser range inder fcir- cult.Laser&Infrared.2013;04:356—_359 12张奕雄.基于OrCAD电路设计软件的高频电子线路仿真分析. 电子设计工程,2011;19(11):142—144 Zhang Yixiong.The study of simulation of high frequency electronic 3 Zhi Qiang,Huo Yujing,Gong Ke.Handheld laser rangefinder and its transmitter circuit.Laser&Infrared,2013;43(5):532--535 4刘武,叶振华.国外红外光电探测器发展动态.激光与红外, circuits based on OrCAD.International Electronic Elements,2011; 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[Key words]laser ranging Pspice automatic gain control frequency characteristic matlab 

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