可编程宽频带精密延时器设计
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1. 系统设计方案
在水下探测时,常常利用激光发生器以一定的频率发出激光探测信号,到达探测目标后反射。反射回的信号中的一部分被反射光采集器采集,将信号转换后传入从 PC机,通过远程传输传入主PC机做数据及图像处理。在基准信号和发射光采集器开始工作之间需要有精确的延时系统,以便用于测量物体距离等重要参数。
精密延时系统由源信号发生器发出毫秒级的脉冲信号,经信号调节电路并经选通后输入粗调延时装置,再由细调延时装置进行微调延时,延时的时间可由单片机通过键盘控制或者通过上位机(PC机)串行通信实现,系统控制可达到精度为1ns。本系统设计框图如图1所示。
图1 系统设计框图
2.系统硬件电路设计
本系统主要电路由单片机控制电路、串行接口电路、细调延时电路、粗调延时电路、基准信号发生电路、键盘显示电路等组成。串行接口电路采用MAX232三线制与上位机COM口相连保持通讯。通过上位机的可视化软件对硬件进行控制,操作者能够通过PC机上的键盘控制细调延时在0—255ns时间内的选定,进而为实现远程控制提供了功能。键盘显示电路采用与CPU串行接口的HD7279A专用管理键盘和LED显示器的智能控制芯片,具有接口电路和外围电路简单,占用口线少的优点。下面着重讨论延时控制电路的设计。
2.1 基准信号发生部分电路
本部分电路采用典型函数发生器芯片MAX038,加外围控制选择电路以及由运放组成的放大器、加法器,以输出符合标准的源信号。将MAX038的A0、 A1接地,输出标准的方波,但此时上升沿斜坡有十几纳秒的±2V信号,输出信号不能够满足系统的要求,因此必须用运放电路将其转换为0-5V的方波信号输出到粗调延时电路的输入端。
2.2 粗调延时电路
本部分电路主要应用延时芯片DS1000_200,用拨码开关选取粗延时的时间。输入脉冲由DS1000_200的IN端输入,由5位拨码开关选通后输入细调延时电路的输入端,能够选择40、80、120、160、200ns的延时时间。
2.3 细调延时电路
本部分电路主要是利用AD9501的特性,加上外围电路的配合,选用合适的参数,达到准确的输出延时脉冲的目的,电路框图如图2所示。程序控制选通端由 D0-D7通过74LS373锁存由单片机89C51地址选通控制,由Trigger端输入脉冲信号,以控制芯片的工作时间。输出端Out应该和复位端 Reset连接在一起,每当输出端输出一个信号,便使芯片重新工作,输出的信号由高电平变为低电平。为了延时后的输出信号的宽度达到系统的要求,采用两个 “非门”将其隔开,能够达到约200ns的脉冲宽度,而且还能提高输出延迟脉冲的触发能力,但对延时的精度有一定的影响。
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图 2细调延时电路
3.软件设计
本系统的软件由下位机程序和上位机程序两部分组成,下位机程序主要负责与上位机通信、单片机控制主控板的延时功能。上位机程序采用VC++语言开发,主要向下位机发延时控制的命令。
4. 系统指标测试
目标系统经过调试,精度已经达到设计标准,如图4所示。当D7-D0分别为00H和FFH,从图中可以看出在以粗调延时输出信号CH2为触发沿时,细调延时输出信号前后相差255ns.由此说明完全可以用程序较精准的控制延时时间。
当D7-D0 为 00H,设粗跳延时信号CH2与 时CH3之间相差(T) ns。
当D7-D0为FFH,粗跳延时信号CH2与细调延时间细调延 时时间CH3之间相差
图4 系统性能指标测试
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下面看一下测试系统误差,误差测试如图5所示,图中水平标度为4ns/div,可以看到在波形强度调大的情况下,延迟信号前后的抖动不过1ns.说明完全达到了系统的要求。
图5 误差分析(水平标度为4.00ns/div)
参考文献
1.白驹珩,雷晓平.单片计算机及其应用[M].电子科技大学出版社,1997.12.
2.何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1991.
3.纪宗南. 单片机外围电路器件实用手册—输入通道器件分册[M].北京航空航天大学出版社,1998.