基于AD500型APD的激光测距硬件电路的研究

摘要

雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)是一种具有内部增益的光电探测器。由于其具有探测灵敏度高、带宽高和低噪声等特点，被广泛运用于微弱光信号检测、激光测距等领域中。APD在激光测距中通常被用作光电探测器，用以接收经过漫反射后的微弱光信号。本文中所研究的相位式激光测距技术原理是使用调制信号对发射连续的光波进行光强调制，利用混频技术和数字鉴相技术，测量调制光波往返于被测距离的相位差，间接得到待测距离。
　　 本文以APD为研究对象，基于直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)和差频测相技术的原理，设计了相位式激光测距机系统中的激光发射、信号接收和精确计时等硬件电路。主要设计思路如下：
　　 (1)通过研究分析脉冲式和相位式激光测距的工作原理，论述了两种方法各自的测距特性，设计了基于DDS技术和差频测相技术的相位式激光测距的总体方案。
　　 (2)阐述了DDS的原理，论述了对DDS芯片AD9834的程序控制方法，采用AD9834产生主振信号和本振信号，并设计了基于OPA657的高频信号的激光调制电路和滤波电路；基于电荷泵升压的原理，采用MAX5028设计APD偏置电压发生电路；采用OPA657构成APD信号前置放大电路和滤波电路，实现了APD微弱光电流的I/V转换和低噪声放大；采用AD603设计了自动增益控制电路，实现了回波信号的幅值稳定。
　　 (3)对鉴相方法进行了研究，深入分析了数字鉴相器的原理结构，设计并调试了数字鉴相器中的混频器电路、有源滤波器电路、整形电路和高精度计时电路；采用了AD831设计混频器电路，实现高频信号的下变频；使用MAX274作为有源滤波器电路，滤除混频输出信号中的高频噪声；使用MAX913设计了整形电路，实现对信号进行整形；基于时差测量芯片TDC-GP2设计高精度计时电路。
　　 (4)论述了了光电探测系统的噪声来源和测量误差，提出减小噪声和测量误差的方法。
　　 随着激光技术和电子技术的发展，激光测距正向着高精度、大量程的方向发展，并在诸多领域中得到更为广泛的应用。