臺灣博碩士論文加值系統

雷射測距包含括相位法、脈衝法以及三角量測法，相位法適用於短距離的量測，脈衝法則用於中長距離的量測。不論是相位法或脈衝法，欲獲得高精度的距離量測，兩者都需要相當高的電路設計技術才能達成。
本實驗中，利用相位式雷射二極體測距法，主要針對相位計的模擬與設計，以及改進先前所設計的測距電路。相位計是用來計算兩相位差而設計，因為發射與接收兩訊號在混頻後會有相位差的產生，經過相位計後再由微處理機計算距離顯示在LCD面板上。
電路設計上以類比訊號處理為主，因為混頻完的訊號太差，即使後端作的再好也是徒勞無功。所以本實驗將先前的電路修改不良的地方以及降低EMI的影響。最後實驗後的電路實現在電路板上，這樣也可減少訊號在電路上的損失以及美觀上也大大改善。

The laser range finder operates in ways: phase-detecting, pulse measuring, and triangulation. The phase-detecting method is suitable to measure short distances and the pulse method is measures middle or long distances. In the past, every method wanted to measure distance� accurately. To reach this goal, all of them have to cooperate 100％.
The phase-detecting method is used in our laser diodes range-finder. The experimental simulations we designed the phase meter, and then we improved the design. The phase meter measures phase shift between two phases, during the theorinesare from the emitter and receiver. After all processes, the microprocessor computes the phase shift and shows the distance on the LCD.
Circuit design focuses on the processing analogy signal, because quality of the mixed signal is too bad. All the experiments are in vain, even if the MUC has been designed perfectly. For these reasons, we read some reference about circuit design and listen to the professionals’ suggestions. After researching, we redesign the circuit and reduce the EMI. Finally, the circuit converts into a PCB board.

口試簽名頁.................................I
博碩士論文授權書...........................II
中文摘要...................................III
英文摘要...................................IV
謝誌.......................................V
目錄.......................................VI
圖目錄.....................................Ⅸ
表目錄.....................................XIII

第一章 緒論................................1
1-1 前言...................................1
1-2 雷射二極體簡介.........................2
1-3 文獻回顧...............................5
1-4 研究動機與目的.........................10
1-5 研究方法...............................10
1-6 論文架構...............................10
第二章 雷射二極體測距儀原理與設計..........12
2-1 雷射測距原理介紹.......................12
2-1-1 現有雷射測距方法評述.................12
2-1-2 脈衝式雷射測距原理...................13
2-1-3 相位法雷射測距原理...................15
2-2 相位式雷射測距儀電路設計概述...........17
2-2-1 相位式雷射測距儀系統架構.............18
2-3電路電磁干擾的原因......................19
2-4微處理機功能簡介........................20
第三章 相位計和鎖相迴路電路設計............23
3-1 相位差量測原理.........................23
3-1-1 超外差式混頻降頻原理.................24
3-2 微處理機脈波寬度量測模式...............25
3-2-1 計算待測脈波頻率.....................26
3-3 鎖相迴路原理...........................27
3-3-1 MC4046 PLL基本特性...................30
3-3-2 振盪電路設計.........................32
3-3-3 利用LC濾波的正弦波振盪電路...........34
第四章 系統電路測試與實驗結果..............37
4-1 實驗系統結構介紹與測試概述.............37
4-2 雷射二極體驅動電路測試與聚焦鏡片模擬...38
4-2-1 本次實驗用雷射二極體簡介...........38
4-2-2 驅動電路分析.......................39
4-2-3 TINA模擬與實際測試結果.............42
4-3 新式鎖相迴路設計.......................44
4-3-1 新型鎖相迴路.........................45
4-3-2 MC4046 PLL設計.....................46
4-3-3 PLL實驗結果與分析....................51
4-4 利用微處理機設計一相位計...............57
4-5 其他電路設計介紹.......................61
4-6 實驗整合結果與討論.....................68
第五章 總結與未來展望......................70
5-1 總結...................................70
5-2 未來展望...............................71
參考文獻...................................72

圖目錄

圖1.1 (a) 吸收......................................................................................... 3
圖1.1 (b) 自發放射................................................................................. 3
圖1.1 (c) 受激放射................................................................................. 3
圖1.2 (a) 零偏壓..................................................................................... 4
圖1.2 (b) 順向偏壓................................................................................. 5
圖1.3 模擬測相原理方塊圖.................................................................... 7
圖1.4 數位測相電路方塊圖.................................................................... 8
圖1.5 測距儀原理圖................................................................................ 9
圖2.1 脈衝雷射測距原理........................................................................ 13
圖2.2 相位測距原理................................................................................ 16
圖2.3 萊卡測距儀…………………... .................................................... 17
圖2.4 系統方塊圖.................................................................................... 18
圖2.5 MCU的架構.................................................................................. 22
圖3.1 HT46x23 Timer/Event Counter內部電路結構............................. 26
圖3.2 待測脈波與計數控制時脈之關係................................................ 26
圖3.3 鎖相迴路方塊圖............................................................................ 28
圖3.4 相位比較原理................................................................................ 29
圖3.5 頻率鎖定原理................................................................................ 30
圖3.6 MC4046 PLL電路圖..................................................................... 31
圖3.7 鎖相迴路的工作頻率範圍............................................................ 32
圖3.8 考畢子型水晶振盪電路................................................................ 34
圖3.9 水晶振盪電路................................................................................ 35
圖3.10 (a)方形波波形............................................................................... 35
圖3.10 (b)方形波的原始為正弦波........................................................... 35
圖4.1 本實驗系統方塊圖........................................................................ 37
圖4.2 臨界電流與溫度特性曲線............................................................ 38
圖4.3 雷射二極體內部示意圖................................................................ 38
圖4.4 雷射二極體驅動電路方塊圖........................................................ 40
圖4.5 RC緩衝電路.................................................................................. 41
圖4.6 雷射二極體驅動電路圖................................................................ 41
圖4.7 雷射驅動電路板............................................................................ 42
圖4.8 PD正常工作時電路模擬.............................................................. 3
圖4.9 PD電流為10mA時的電路.......................................................... 43
圖4.10 舊型鎖相迴路方塊圖.................................................................... 45
圖4.11 新型鎖相迴路方塊圖.................................................................... 45
圖4.12 (a) 內部結構圖............................................................................. 47
圖4.12 (b) 標準閂鎖頻率曲線…………………………………………. 47
圖4.13 VCO為鎖定前波形....................................................................... 47
圖4.14 (a) 頻率為3MHz.......................................................................... 48
圖4.14 (b) 頻率為2.90MHz……………………………………………. 48
圖4.15 考畢子型水晶振盪器輸出波形.................................................... 49
圖4.16 典型的分頻器74HC161................................................................ 50
圖4.17 分頻器輸出之波形........................................................................ 50
圖4.18 濾波器之輸入和輸出波形............................................................ 51
圖4.19 PLL載波電路圖............................................................................ 52
圖4.20 PLL載波電路板............................................................................ 52
圖4.21 (a) PLL輸出3MHz正弦波.......................................................... 53
圖4.21 (b) PLL輸出2.99MHz正弦波…………………………………. 53
圖4.22 (a) 3MHZ頻譜分析結果............................................................... 54
圖4.22 (b) 2.99MHZ頻譜分析結……………………………………….. 55
圖4.23 雙鎖相電路圖................................................................................ 56
圖4.24 本地與參考兩訊號同相................................................................ 56
圖4.25 雙鎖相迴路電路板........................................................................ 57
圖4.26 載波3MHz時可量測的最大距離................................................ 58
圖4.27 脈波寬度量測流程圖…………………………………………… 59
圖4.28 脈波寬度實際測量……………………………………………… 60
圖4.29 HT程式撰寫介面……………………………………………….. 61
圖4.30 正負對稱型穩壓器……………………………………………… 61
圖4.31 三端子穩壓器…………………………………………………… 62
圖4.32 NJM2360內部構造……………………………………………... 63
圖4.33 (a) NJM2360穩壓電路圖……………………………………….. 64
圖4.33 (b) NJM2360穩壓電路版………………………………………. 64
圖4.34 (a) +12V直流波形………………….…………………………… 65
圖4.34 (b) -12V直流波形………………………………………………. 65
圖4.35 (a) 電路所產生脈波寬度為2.5kHz……………………………. 66
圖4.35 (b) 兩脈波相距0.1秒…………………………………………... 67
圖4.36 (a) 本實驗所設計之電路圖......................................................... 67
圖4.36 (b) 實驗所使用的脈波電路版…………………………………. 67
圖4.37 整合所有單元的電路版................................................................ 68
圖4.38 電路測試環境................................................................................ 68


表目錄

表3.1 載波頻率和最大量測距離表………………….……………….. 24
表4.1 實驗用雷射二極體規格................................................................ 39
表4.2 節點電壓對溫度變化................................................................... 44
表4.3 新舊鎖相迴路比較……………………………….…………….. 46
表4.4 量測精度表................................................................................... 58
表4.5 脈波寬度實際值與量測比............................................................ 60
表4.6 NJM2360的動作特性................................................................... 66

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