请教一个检相电路的设计方案

只看该作者 · 2013-2-18 17:00

各位大佬：我想用一个单片机做一个简单的相位激光测距装置，测量距离在0.2-3米以内即可，测量精度达到4比特就行，是一个非常简易的测距仪。我的方案是用单片机的时钟进行分频后发射激光，反射回来的激光信号与发射信号经过相位检测后形成一个与测量距离成正比的直流信号，这个检相信号再到单片机的AD转换，至此完成测距任务。
第一个问题：这个方案可行吗？能否达到任务要求？激光发射频率最低要多少才行？
第二个问题：相位检测还要搭电路，电路可能还很复杂，我的初步方案是：激光接收器接收的激光信号经过放大、整形成5V方波信号，再滤波成正弦信号，送到减法器；同时激光发射信号也经过滤波变成正弦信号后送到减法器，减法器出来的信号就是与距离成正比的正弦信号，这个正弦信号再经过放大、整流、滤波，变成直流信号后送给单片机的AD转换端口。这是不是太复杂了？各位有没有简单一点的方案？有没有现成的集成块或模块？我的原则是贵一点没关系，只要做到简单、易调试、易成功就行。
麻烦各位大佬了。

3万 · 2013-2-18 17:27

似乎不可行。
“我的方案是用单片机的时钟进行分频后发射激光，反射回来的激光信号与发射信号经过相位检测后形成一个与测量距离成正比的直流信号”
你的意思，是检测发射光脉冲与接收光脉冲两个脉冲前沿(或后沿)时间差。但测量距离仅3m，两个脉冲前沿之间时间差仅10ns。这么短时间，普通电路很难测量准确。

只看该作者 · 2013-2-18 19:07

用高速数字电路似乎可以——反射与接收信号整形后相“异或”运算，其电压平均值就是移相成正比的。但是要通过校准才可以，且异或结果需要进行准确的限幅然后进行平均滤波。

1万 · 2013-2-18 21:06

楼主如果确认能够在输出/输入公共端发送一个纳秒级（太大误差大）的矩形波，接收回来保持脉宽不变（我对发射与接收电路不懂），我提供脉宽检测电路，在后沿输出信号表示检测到指定宽度的波形以识别信号，并且测量出发送与接收到该波的后沿时间间隔，就可以知道距离（误差由硬件的反应速度决定）。如果必要，还可以发送N各不同矩形波，用N个不同电路各自识别以互相验证。

只看该作者 · 2013-2-19 10:10

本帖最后由 acone 于 2013-2-19 10:26 编辑

回上面各位老大：我想用的不是脉冲前后沿检测时间差，这样的话肯定对器件要求很高，杂波干扰也大。我想把发射和接收的信号都变成振幅相同的正弦信号，然后把两个正弦信号相减，用此方法检测相位差。假设发射频率为10MHz的话，0-3M的距离相位差为0-2Pi/5，最大大约72度的相位差。不知道用这个方案能否降低对器件的要求？并且测距时对绝对误差没有要求，这样就降低了方波变成正弦波信号时的相位要求，只要相对距离的分辨率达到4比特就行了，也就是要求能分辨出相距20厘米的两个物体。

归根结底想问一下有没有工作在10MHz以上的鉴相器或模块？

只看该作者 · 2013-2-19 10:54

整形后进行异或运算然后测电压平均值是取其各个波形的平均，随机误差也被平均了。器件的非理想化造成的固定的平均误差只要校准过就可以基本消除。这个方案理论上在0°——180°间其电压是对于于移相线性关系的。0°时电压是0,180°时输出电压最高。如果用10MHz的频率的话，半周期的时间就是50ns，那么即便是用常用的单片机自带的10位AD，其理论分辨率也可以达到0.05ns，对应的距离分辨率就是1.5厘米。当然这只是理想情况，事实上由于器件的特性并非理想（比如说整形后的方波并非理想，AD的非线性等）所以实际精度也要打折扣。对于楼主要求的精度，看来还不需要用10MHz这么高的频率就够了。

只看该作者 · 2013-2-19 15:24

本帖最后由 acone 于 2013-2-19 15:27 编辑

谢谢qzlbwang老大提供了一个简单的方法！
如果用74S系列的数字电路，其上升沿和下降沿宽度都是3ns，3米距离的宽度是20ns，看来是足够了，并且还有可能把频率降到2-4MHz的水平----不知可否？有时间我就试一试。
谢谢！

只看该作者 · 2013-2-19 16:02

最好用74F系列或74HC系列。
因为边沿越陡其线性度越好，特别是移相比较小时。

只看该作者 · 2013-2-19 17:05

谢谢qzlbwang！我觉着在这样低的精度下连整形也可免了，异或出来后直接用一个阻容进行平均就可以了。

只看该作者 · 2013-2-19 17:19

不整形线性比较差，而且不确定度也增加（因为电压平均值除了和占空比有关外，也和高低电平的值密切相关）。

只看该作者 · 2013-2-19 17:23

其实，阻容滤波要反应电压平均值的话，需要激励源的内阻很小（不管是高电平还是低电平，且高、低电平的内阻相等），否则这个环节也会带来非线性。

只看该作者 · 2013-2-19 17:31

所以真正要做到线性很好其实也不易。
一般在测试范围不大的情况下，近可能使得对应的测试范在其移相在90°左右（通过附加固定移相的办法）。这样会在这小范围内线性比较好。如果测试范围需要比较大，那么也可以通过不同的频率来测试（用比较低频率来确定被测距离在哪个范围，再用比较高的频率确定精确距离值），这在用单片机应用中应该很容易做到。

只看该作者 · 2013-2-21 16:17

我有个疑问。就算发射电路和接收电路有很快的上升沿（比如说达到0.5ns），但是你的激光发射管和接受管能有这么快的上升沿吗？

只看该作者 · 2013-2-22 09:23

william008 发表于 2013-2-21 16:17
我有个疑问。就算发射电路和接收电路有很快的上升沿（比如说达到0.5ns），但是你的激光发射管和接受管能有 ...

前提是激光发射与接收管能稳定地工作在这频率上。边沿的速度不重要，因为后面的整形电路可以将速度提高至合适。

只看该作者 · 2013-2-22 10:31

qzlbwang 发表于 2013-2-22 09:23
前提是激光发射与接收管能稳定地工作在这频率上。边沿的速度不重要，因为后面的整形电路可以将速度提高至 ...

你说的是理论情况。
实际电路里，由于存在干扰和噪声，上升沿有抖动存在。如果边沿过缓，一点点的电压噪声会让整形后的边沿产生较大的时间误差。

只看该作者 · 2013-2-22 10:41

噪声等引起的抖动确实存在！但由于是测量平均值（很多周波哦），所以从概率上来说分布是均匀的，其平均值的变化就很微弱（引起的误差很小），这是这种测试方法的优点所在。

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