一种高精度多事件时间数字转换器及转换方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度多事件时间数字转换器，包括：锁相环，用于生成多相位时钟簇信号；低位转换电路，以多相位时钟簇信号为基准对START信号与STOP信号之间的时间间隔进行初步量化，输出低位转换结果，同时将START信号、STOP信号与多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换START信号、高位转换STOP信号以及高位转换时钟信号；高位转换电路，以高位转换时钟信号为基准对START信号与STOP信号之间的时间间隔进行量化，输出高位转换结果；数据接口，用于整合低位转换结果与高位转换结果。本发明专利技术的高精度多事件时间数字转换器具有良好的鲁棒性，较高的精度，且具备多事件检测能力。且具备多事件检测能力。且具备多事件检测能力。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度多事件时间数字转换器及转换方法


[0001]本专利技术属于激光雷达
，具体涉及一种高精度多事件时间数字转换器及转换方法。

技术介绍

[0002]激光雷达自诞生起被广泛应用于测绘遥感和精确制导等领域。随着激光技术和集成电路的发展，小型化的激光器以及高集成度的激光雷达在无人驾驶、智能机器人以及消费电子等领域也得到了越来越多的关注。随着无人驾驶和消费电子设备的发展，未来激光雷达的市场规模可达数十亿美元。
[0003]激光雷达系统由发射前端、接收后端和信号处理三部分组成，其基本原理是：主动发射激光信号，通过对目标物体反射的回波信号进行接收和处理，得到目标物体的距离信息。在此基础上，可根据所采取的光学测距方法不同进行分类，如三角法、干涉法、间接飞行时间方法(indirect Time
‑
of
‑
Flight，iToF)和直接飞行时间方法(direct Time
‑
of
‑
Flight，dToF)。其中，直接飞行时间方法在测量范围、分辨率、系统尺寸和成本等方面具有更好的折衷，在过去十年中得到了极大的关注。
[0004]请参见图1，图1是一种典型的基于直接飞行时间方法的激光雷达系统的框架示意图，通常激光源发射一个半高宽(FWHM)为3ns左右的激光脉冲，与此同时，START信号作为激光脉冲的同步信号，触发时间数字转换器电路开始进行时间信息测量。当激光脉冲由目标物体反射之后，通过接收端光学镜头，触发光电探测器产生与回波激光强度相对应的光电流脉冲信号，送至后续的模拟前端电路进行处理。其中，模拟前端电路主要包括前端放大器模块和时刻鉴别模块。前端放大器模块一般由跨阻放大器电路组成，将光电流信号转换为电压脉冲信号，并且进行放大，得到的电压脉冲信号再经过后续的时刻鉴别电路，产生表征回波信号精确时间信息的STOP信号并送至时间数字转换器电路。时间数字转换器电路将对START信号和STOP信号之间的时间间隔进行量化，这样就完成了对目标物体的飞行时间信息测量。
[0005]基于直接飞行时间方法的激光雷达直接测量激光发射信号和物体反射的回波信号之间的时间间隔信息，进而得到目标物体的距离信息。因此，时间数字转换器的精度将直接决定测量距离的精度，如何实现高精度的时间数字转换器是一个具有重要实际意义的问题。此外，一般的时间数字转换器在一个激光发射周期内只能实现单次测量，这使得激光雷达系统的测量帧率严重受限。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种高精度多事件时间数字转换器。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术的一个方面提供了一种高精度多事件时间数字转换器，包括锁相环、低位转换电路、高位转换电路和数据接口，其中，
[0008]所述锁相环用于获取参考时钟信号，以所述参考时钟信号为基准进行频率综合，生成间隔相等且频率相同的多相位时钟簇信号；
[0009]所述低位转换电路连接所述锁相环，用于输入START信号、STOP信号以及所述多相位时钟簇信号，对所述START信号与所述STOP信号之间的时间间隔进行初步量化，输出低位转换结果，同时将所述START信号、所述STOP信号和所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换START信号、高位转换STOP信号和高位转换时钟信号；
[0010]所述高位转换电路连接所述低位转换电路，用于输入所述高位转换START信号、所述高位转换STOP信号以及所述高位转换时钟信号，对所述高位转换START信号与所述高位转换STOP信号之间的时间间隔进行量化，输出高位转换结果；
[0011]所述数据接口连接所述低位转换电路和所述高位转换电路，用于整合所述低位转换结果和所述高位转换结果，获得表示所述START信号与所述STOP信号之间时间间隔的数字码。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述锁相环包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，其中，
[0013]所述鉴频鉴相器用于接收参考时钟信号和来自所述分频器的反馈时钟信号，将所述参考时钟信号和所述反馈时钟信号的频率和相位进行比较，获得两个逻辑信号；
[0014]所述电荷泵连接所述鉴频鉴相器和所述环路滤波器，用于根据所述两个逻辑信号决定将电荷泵入到环路滤波器或者将电荷从环路滤波器中泵出；
[0015]所述环路滤波器用于将电荷的得失转换成电压变化，输出电压信号，并将所述电压信号作为控制信号输出至所述压控振荡器；
[0016]所述压控振荡器用于在所述控制信号的控制下输出一组间隔相等且频率相同的多相位时钟簇信号；
[0017]所述分频器连接所述压控振荡器，用于接收所述多相位时钟簇信号中的一个时钟信号，对其进行分频处理，输出所述反馈时钟信号。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述压控振荡器包括多个运算放大器，其中，所述多个运算放大器依次连接，前一个运算放大器的负输出端连接至后一个运算放大器的正输入端，前一个运算放大器的正输出端连接至后一个运算放大器的负输入端，最后一个运算放大器的正输出端连接第一个运算放大器的正输入端，最后一个运算放大器的负输出端连接第一个运算放大器的负输入端，并且最后一个运算放大器的负输出端连接所述分频器的输入端；所述环路滤波器的输出端分别连接至所述运算放大器中电流源的控制端。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述压控振荡器包括八个运算放大器，其正输出端和负输出端共产生等间隔同频的十六相位的时钟簇信号，并输出至所述低位转换电路。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述低位转换电路包括START鉴别电路、STOP鉴别电路和编码器，其中，
[0021]所述START鉴别电路用于以多相位时钟簇信号为基准，鉴别所述START信号所处的相位，获得第一鉴别结果，同时将所述START信号与所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换START信号和高位转换时钟信号；
[0022]所述STOP鉴别电路用于以多相位时钟簇信号为基准，鉴别所述STOP信号所处的相位，获得第二鉴别结果，同时将所述STOP信号与所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出
高位转换STOP信号；
[0023]所述编码器用于将第一鉴别结果和第二鉴别结果编码成二进制的低位转换结果。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，所述START鉴别电路包括三级D触发器组、第一缓冲器B1和第二缓冲器B2，其中，
[0025]每级D触发器组包括十六个D触发器，其中，第一级的十六个D触发器的D输入端均输入所述START信号，第一级的十六个D触发器的Clk输入端分别对应连接所述压控振荡器输出的十六相位的时钟簇信号，第一级的十六个D触发器的输出端分别对应连接第二级其中一个D触发器的D输入端；第二级的十六个D触发器的Clk输入端分别对应连接所述压控振荡器输出的十六相位的时钟簇信号，第二级的十六个D触发器的输出端分别对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，包括锁相环(100)、低位转换电路(200)、高位转换电路(300)和数据接口(400)，其中，所述锁相环(100)用于获取参考时钟信号，以所述参考时钟信号为基准进行频率综合，生成间隔相等且频率相同的多相位时钟簇信号；所述低位转换电路(200)连接所述锁相环(100)，用于输入START信号、STOP信号以及所述多相位时钟簇信号，对所述START信号与所述STOP信号之间的时间间隔进行初步量化，输出低位转换结果，同时将所述START信号、所述STOP信号和所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换START信号、高位转换STOP信号和高位转换时钟信号；所述高位转换电路(300)连接所述低位转换电路(200)，用于输入所述高位转换START信号、所述高位转换STOP信号以及所述高位转换时钟信号，对所述高位转换START信号与所述高位转换STOP信号之间的时间间隔进行量化，输出高位转换结果；所述数据接口(400)连接所述低位转换电路(200)和所述高位转换电路(300)，用于整合所述低位转换结果和所述高位转换结果，获得表示所述START信号与所述STOP信号之间时间间隔的数字码。2.根据权利要求1所述的高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，所述锁相环(100)包括鉴频鉴相器(101)、电荷泵(102)、环路滤波器(103)、压控振荡器(104)和分频器(105)，其中，所述鉴频鉴相器(101)用于接收参考时钟信号和来自所述分频器(105)的反馈时钟信号，将所述参考时钟信号和所述反馈时钟信号的频率和相位进行比较，获得两个逻辑信号；所述电荷泵(102)连接所述鉴频鉴相器(101)和所述环路滤波器(103)，用于根据所述两个逻辑信号决定将电荷泵入到环路滤波器(103)或者将电荷从环路滤波器(103)中泵出；所述环路滤波器(103)用于将电荷的得失转换成电压变化，输出电压信号，并将所述电压信号作为控制信号输出至所述压控振荡器(104)；所述压控振荡器(104)用于在所述控制信号的控制下输出一组间隔相等且频率相同的多相位时钟簇信号；所述分频器(105)连接所述压控振荡器(104)，用于接收所述多相位时钟簇信号中的一个时钟信号，对其进行分频处理，输出所述反馈时钟信号。3.根据权利要求2所述的高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，所述压控振荡器(104)包括多个运算放大器，其中，所述多个运算放大器依次连接，前一个运算放大器的负输出端连接至后一个运算放大器的正输入端，前一个运算放大器的正输出端连接至后一个运算放大器的负输入端，最后一个运算放大器的正输出端连接第一个运算放大器的正输入端，最后一个运算放大器的负输出端连接第一个运算放大器的负输入端，并且最后一个运算放大器的负输出端连接所述分频器(105)的输入端；所述环路滤波器(103)的输出端分别连接至所述运算放大器中电流源的控制端。4.根据权利要求3所述的高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，所述压控振荡器(104)包括八个运算放大器，其正输出端和负输出端共产生等间隔同频的十六相位的时钟簇信号，并输出至所述低位转换电路(200)。5.根据权利要求4所述的高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，所述低位转换电路(200)包括START鉴别电路(201)、STOP鉴别电路(202)和编码器(203)，其中，
所述START鉴别电路(201)用于以多相位时钟簇信号为基准，鉴别所述START信号所处的相位，获得第一鉴别结果，同时将所述START信号与所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换START信号和高位转换时钟信号；所述STOP鉴别电路(202)用于以多相位时钟簇信号为基准，鉴别所述STOP信号所处的相位，获得第二鉴别结果，同时将所述STOP信号与所述多相位时钟簇信号进行同步处理，输出高位转换STOP信号；所述编码器(203)用于将第一鉴别结果和第二鉴别结果编码成二进制的低位转换结果。6.根据权利要求5所述的高精度多事件时间数字转换器，其特征在于，所述START鉴别电路(201)包括三级D触...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱樟明，周朝阳，王夏宇，胡进，李栋，马瑞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：