基于高精度延时芯片的激光回波模拟电路设计

徐翔宇+王劲松

作者简介：徐翔宇（1989—），男，硕士研究生，主要从事仪器总体技术。E-mail：906710601@qq.com 联系电话：15643189165

通讯作者：王劲松（1973—），男，副教授，主要从事激光参数测试技术和红外测试技术等方面的研究。E-mail： soldier_1973@163.com

摘要：针对激光测距的精度取决于时间测量的精度这一现象，本文提出了一种基于DS1023与AD9501可编程延时芯片的激光回波模拟器的延时电路设计方案。延时模块以STC89C52单片机为控制核心，采用多芯片级联精确延时模拟目标距离。在考虑了延时芯片的延时误差的基础上，对芯片级联进行了最优规划设计，实现了大范围测量的同时保证了精度。实验结果表明，该回波模拟器可实现50-3000m的标定范围和±1m的标定精度。

关键词：回波模拟器 延时模块 多芯片级联 DS1023 AD9501

中图分类号： TP216+.1文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

Design of laser echo simulator based on High precision delay chip

XU Xiang-yu， WANG Jing-song

（Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China）

Abstract： For the laser ranging precision depends on the precision of time measurement，a design scheme of echo simulator for pulse laser range finder based on DS1023 and AD9501 programmable delay chip was proposed in this paper. Delay module takes Micro-controller AT89C52 as control central and Multi-chips cascading realized the simulating of a finite target distance. Considering time delay error originating in chips-docking， optimal planning design method was adopted， the range limitation was overcome better while keeping high accuracy. The test results indicated that the calibrating system can calibrate in 50-3000m distance range and have ±1m calibrating accuracy.

Key words：Echo simulator； Delay module； Multi-chips cascading； DS1023； AD9501

激光测距机是激光技术在军事领域中最早、最成熟的应用。激光测距机具有测距精度高、测距速度快、轻巧灵活、抗干扰能力强等特点。由激光测距机能够实现对目标的精确定位与，已成为未来武器系统重要组成部分[1]。

脉冲激光测距机的原理是：测距机向目标发射激光脉冲，同时启动计数器开始脉冲计数。发出的激光脉冲碰到目标时被反射，测距机接收到返回脉冲时关闭计数器，由计数器测量出激光往返的时间，由此运算出目标距离。

测距精度是评价脉冲激光测距机性能的重要参数。早期对激光测距机参数的测试多采用外场测试，测量结果受大气条件的影响较大，并且受到场地条件的限制。随后，研究人员引进光纤作为长距离、高精度、受周围环境干扰少的目标距离模拟，但其缺点是模拟距离不能实时可调[2，3] 。本文介绍了一种基于DS1023与AD9501延时芯片的激光回波模拟器，它能在室内环境模拟不同目标距离，通过采用多芯片级联方式实现模拟距离的连续可调。其模拟距离为50-3000m，精度为±1m。

1系统的工作原理

系统采用一个可控延迟的脉冲激光信号代替测距机发射信号的反射回波，通过可控激光信号的精确延迟时间模拟出等效距离，将被测激光测距机探测的解算距离与模拟距离相减即可得出测距机的测距精度[4]。

在上位机设置模拟距离后经单片机换算为精确延时时间，通过串行口配置置数缓冲器锁存，再由置数缓冲器选通高精延时模块中的延时芯片。激光测距机发射脉冲激光信号后，由光电二极管将光脉冲信号转换成电脉冲信号，该信号经放大与整形后，输出幅值与TTL电平的模拟信号。该信号经高精延时组件延时后，激光二极管发出一个激光脉冲送给激光测距机，完成一次试验。系统的工作原理框图如图1所示。

图1 系统工作原理框图

2.精密延时电路设计

高精度延迟模块的设计由硬件电路设计和软件程序两部分组成。硬件部分采用了芯片级联延迟方法，使用多个模拟延迟芯片，通过快速延时单元和精确延时单元的配合，协调延迟时间范围和延迟精度，达到大范围高精度的延迟设计要求。

2.1 精确延时单元

精确延迟模块需要延时时间能够连续调节，采用AD9501高精度延时芯片。

AD9501延时芯片是AD公司推出的采用高性能双极工艺的一种可编程延时器。该器件最小延时时间10ps，最大延时时间2.5ns～10us。

AD9501的延时值可变，其满程延时范围Trange由外接电阻和电容决定，并满足Trange=R x（C+8.5）x 3.84，外接电阻范围为50Ω～10kΩ。当满程延时时间小于326ns时，外接电容C=0；当满程延时时间大于326ns时，外接电容C=500pF。AD9501的可编程延时输出由最小延时时间Tmin，满程延时范围和8位可编程数码共同确定，并满足以下关系：Tdelay=Tmin+（8位可编程数码/256）xTrange[5]。

由单片机赋值与锁存器，由锁存器控制AD9501，调整外接电容值，实现0～1000ns内延迟时间设定，精确延时电路原理图如图2所示。

图2 精确延时电路原理图

2.2快速延时单元

快速延迟模块包括19块1000ns的定延时芯片DS1023。

DS1023延时芯片是达拉斯半导体公司生产的8位可编程定时器系列芯片，该系列芯片包含步长0.25ns、0.5ns、1ns、2ns、5ns五种型号；用户通过设置8 位数字信号来设定的延时时间。

DS1023系列的延迟时间由（1）式确定：

（1）

式中 为芯片延迟步长，Value为用户设置的8位二进制延迟量。DS1023-500芯片的延迟步长为5ns，最大延迟为1275ns。并行模式下，设置P7-P0的值为1100 1000即可实现1000ns的延迟。电路原理图如图3所示。

图3 快速延时电路原理图

为了减少模拟开关的数量，简化电路设计，设计一种更高效的整千延迟的组合方式。把19个芯片分为8组延迟子块，8个延迟子块的延迟时间分别为1，000ns、2，000ns、1，000ns、5，000ns、2，000ns、2，000ns、4，000ns、2，000ns。组合方式避免“跳连”的现象，需要的延迟子块全部相邻布置。

这种排列下，1-19之间任何数量的整千延时，都可由连续的几组延迟连接产生。如延迟时间为12000ns，即12个整千延迟，可由2，1，5，2，2这五组延时组合产生。详细的整延时组合方案如下表

表1 整千延时组合方案

1 2 1 5 2 2 4 2

1，000 1

2，000 2

3，000 1 2

4，000 1 2 1

5，000 5

6，000 1 5

7，000 5 2

8，000 1 5 2

9，000 5 2 2

10，00 1 5 2 2

11，000 1 2 1 5 2

12，000 2 1 5 2 2

13，000 5 2 2 4

14，000 1 5 2 2 4

15，000 5 2 2 4 2

16，000 2 1 5 2 2 4

17，000 1 2 1 5 2 2 4

18，000 2 1 5 2 2 4 2

19，000 1 2 1 5 2 2 4 2

图4 单片机控制程序流程图

2.3 单片机程序设计

单片机通过RS-232串口通信总线与计算机进行通信，接收完毕后，根据模拟距离计算延迟时间，并设置三个锁存器。锁存器设置完成后发送一个返回值给上位机完成设置。程序流程图如图4所示。

采用激光二极管将延时后的电信号转变为激光脉冲信号给激光测距机。所采用的THORLABS-LED1550激光二极管具有很高的响应速度，上升时间和下降时间仅为1.5ns，峰值波长λ为1550nm与激光测距机的接收器APD波长一致。发射驱动电路中包括一个限流电阻，电容以及一个反向保护二极管避免功率过大导致APD击穿。

3 标定实验

采用精度为±20mm的LDM301激光测距机对系统进行标定。在实验室中测距机解算的距离值作为标定距离， 测距机外场测解算距离作为测量距离。在每个标定距离值处各测量10次，标定结果如表2所示。

表2测距精度标定结果

标定距离L0（m） 测量平均值L（m） 误差ΔL=L0-L（m）

50 50.18 0.18

100 99.98 0.02

500 500.06 0.06

1000 1000.40 0.40

2000 2000.12 0.12

3000 2999.80 0.20

4 结论

采用DS1023和AD9501可编程延时芯片，以89C52单片机为核心设计一种多芯片极连的精确延时电路，可模拟50-3000m的范围，并且具有较高距离分辨率。实验表明系统的稳定性和重复性都较好，具有较好的可操作性。

参考文献

[1] 于彦梅.激光测距机及发展趋势[J].情报指挥控制系统与仿真技术，2002，（8）：19-21

[2] 刘志勇，李志令.脉冲激光测距机测距能力检测方法分析[J].军械工程学院学报，1998，4（10）：15-19

[3] 李志刚，李军.光纤延时技术的特点及应用[J].光通信技术，2007，（6）：662-64

[4] Geng Chun ping，Cheng Du，Zhang Zhi.Precision and Error Analysis of Laser Pulse Ranging[J]，Electro-Optic Technology Application，2007，vol22（2）：28-31

[5] 马艳喜.数字延时器AD9501的性能及其应用[J].电子元器件应用，2002，4（11）：27-28