山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距技术
从图2.7中可知PIN和APD在输入光功率为1mW时的信噪比十分接近的，而对小于1mW以下的弱光信号的探测，APD的信噪比明显高于PIN型探测器。因为信号在APD的内部得到增益，而不会明显的影响到总的系统噪声，比起PIN探测器能使整个系统有更好的信噪比。因此半导体激光测距机通常都选用APD作为探测器。
从上面的分析可以看出，APD响应时间短，由于内部具有倍增效应，对微弱信号有相当高的灵敏度，信噪比较高。所以它既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距范围，所以APD是脉冲激光测距系统激光接收器件的最佳选择。
22
山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距仪接收电路的设计
3 相位式激光测距仪接收电路的设计
根据相位式激光测距的原理，本章依据设计要求完成了相位式激光测距仪接收系统中光电检测器的选择、APD高压偏置电路、温度补偿电路、自动增益控制电路以及混频电路的设计。
3.1相位式激光测距仪的整体设计
系统的核心控制和处理单元为一数字信号处理器件（DSP）。由两个直接信号频率合成器[9]（简称作为DDS）作为精密信号源产生主振和本振正弦信号。其中一路主振信号经过激光器调制发射出去, 经待测目标反射回来,再由光电器件APD转成电信号, 与本振信号送入混频器差频成低频或中频信号, 这一路信号称为测量信号。另一路的主振和本振直接送入混频器差出相同频率的低频或中频信号, 称为参考信号。
图3.1 相位式激光测距的总体框图
23
山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距仪接收电路的设计
如图3.1所示测量信号和参考信号经过放大后进入数模转换器件, 由DSP控制启动A/D进行数据采样, 并由DSP通过FFT运算完成两路差频信号的相位差计算, 既而得到测量信号所经过的距离值。
根据前面章节的叙述和设计要求，测距仪的基本设计和参数指标如下： ⒈用直接分散测尺频率方式，频率为15MHz和150KHz，本地振荡信号频率用14.985MHz和135KHz；
⒉选用激光测距专用雪崩光电二极管；
⒊设计高压偏置电路发生120V-160V的高压使APD达到最佳增益； ⒋设计温度补偿电路在温度变化时来调整光检测器的偏置电压； ⒌设计自动增益控制功能(AGC)，以便对信号幅度的放大进行自动控制，使其满足混频器的要求；
⒍设计参考与测量混频电路，降低信号频率，便于进行测量相位差。 根据总体框图设计，可将整个激光测距仪分为：第一大部分是激光发射部分，其中包括激光调制信号的产生、激光信号的产生和调制发射部分三个模块；第二大部分是激光回波接收部分，包括调制信号的探测即光电转换部分、信号放大部分、混频与信号转换、DSP处理和单片机计算显示。
另外整个激光测距仪除了光频信号外，一共出现五个不同频率的信号，即：主振1：15MHz，主振2：150KHz，本振1：14.985MHz，本振2：135KHz和15KHz的混频输出信号，除了最后一个混频输出信号外，其他四个频率的信号都将在相位式激光测距仪发射电路当中产生。本设计主要研究激光回波接收部分的光电转换部分、信号放大部分以及混频部分。
3.2光电检测器的选择
光谱响应度是光电探测器的基本性能之一，表征光电探测器对不同波长入射辐射的响应。光电探测器的光谱响应特性有明显的选择性。
24
山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距仪接收电路的设计
图3.2显示的是一般硅、锗光电二极管的光谱响应特性，可以看出硅型和锗型的光电二极管在相对灵敏度上，对波长有着明显的选择性。
图3.2 硅、锗光电二极管的光谱响应特性
设计中应选择对发射激光的波长响应度高的雪崩二极管作为光电探测器。由于设计系统半导体激光器发生信号为红波，波长为650nm，由图3.2可得硅雪崩二极管比锗雪崩二极管对该范围的波长响应度高，因此选择硅雪崩二极管作为激光探测器。
另外，当雪崩二极管偏压较低时，无倍增效应，偏压升高时，光电流迅速上升，但噪声电流也随偏压的增加而升高，达到雪崩电压时，噪声电流曲线的斜率特别大，使信噪比急剧下降。因此，使用雪崩管时应特别注意最佳偏压的稳定。
3.3 APD高压偏置电路的设计
雪崩二极管虽然有很高的内部增益,响应速度非常快,但必须给它提供一个较高的反向偏置电压，才能使雪崩二极管发挥其优异的特性[11][12]。根据设计要求，APD高压偏置电路需产生120-160V的高压，使雪崩二极管达
25
山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距仪接收电路的设计
到很高的增益。 3.3.1高压发生电路原理
如图3.4所示，高压发生器由一 个555振荡器、开关三极管Q1、储能电感L3、滤波电容C37、C38以及隔离二极管D2、D3组成。 +5V+5VL3C310.01uF33mHC2810uF/16VD2R51200k4RR110KVoh8VCCQDC37R52680Q12N3904IN40075D3R55560IN4007C3710uF/400VC3810uFCV12k2GNDR54TRTH6U11NE555C390.01uF 图3.4 APD高压发生电路 555振荡器是用于产生一定频率的方波信号来控制三极管的导通和截止，再经过由电感电容组成的滤波电路，从而产生高的输出电压。电路的基本工作原理是当三极管Q1导通时，能量从电源流入，并储存于电感L3C30.01uFR363.9M中，由于三极管导通期间正向饱和压降很小，因此这时二极管D2反偏，负1MR37载由滤波电容C37供给能量，将电容中储存的能量CV2释放给负载。当三R41U2:A极管截止时，电感中的电流不能突变，它上面产生的感应电势阻止电流的0.01uF2+5V减小，感应电势的极性为上负下正，二极管D2导通，电感中储存的能量
26