CN110168451B - 时间数字转换器装置、激光雷达***和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种时间数字转换器装置(100)，其具有：数量n个门延时环节(50)的自校准的n级链，其混联连接在用于输送节拍信号(16)的节拍信号线路(12)与用于输送停止信号(17)的停止信号线路(13)之间；用于反馈地控制门延时环节(50)的电荷泵和相位探测单元(10)，其具有作为调节参量输入端的第一输入端(10‑1)、作为指令参量输入端的第二输入端(10‑2)和作为调整参量输出端的输出端(10‑3)；其中节拍信号线路(12)与电荷泵和相位探测单元(10)的第一输入端(10‑1)连接；用于输送反节拍信号(18)的反节拍线路(14)与第二输入端(10‑2)连接；并且为了反馈，门延时环节(50)与电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10‑3)连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种时间数字转换器装置、一种激光雷达***以及一种使用激光雷达***和时间数字转换器装置的设备。
背景技术
时间数字转换器装置——也称为TDC单元(TDC：Time-to-Digital，时间-数字)——用于以高的分辨率和精度来检测时刻或时间间隔并且将其提供为数字数据。这对于聚焦于飞行时间测量的不同应用(例如在激光雷达***的情况下)具有高度的重要性。
在传统的时间数字转换器装置的情况下的问题在于：在用于自校准的不同应用的情况下所使用的停止事件相对较少地出现，从而在彼此相继的事件之间的时间中不保留基于TDC单元的校准。这导致测量误差。
发明内容
相比之下，根据本发明的具有根据本发明的特征的时间数字转换器装置具有如下优点：即使在相对较少的停止事件的情况下也能够以简单的装置实现并且维持自校准。这根据本发明以根据本发明的特征通过创建一种尤其用于激光雷达***的时间数字转换器装置来实现，该时间数字转换器装置具有：n个门延时环节的至少一个进行自校准的n级链，所述门延时环节混联连接(parallel-seriell schalten)在用于输送节拍信号的节拍信号线路与用于输送停止信号的停止信号线路之间；用于反馈地控制门延时环节的电荷泵和相位探测单元，该电荷泵和相位探测单元具有作为调节参量输入端
的第一输入端、作为指令参量输入端的第二输入端和作为调整参量输出端
的输出端。在此，节拍信号线路与电荷泵和相位探测单元的第一输入端连接，而用于输送反节拍信号的反节拍线路与第二输入端连接。为了进行反馈，门延时环节与电荷泵和相位探测单元的输出端连接，更确切地说，尤其经由滤波器耦合。根据本发明，可以通过反节拍线路给电荷泵和相位探测单元以施加在作为指令参量输入端的第二输入端上的方式连续地输送反节拍信号，用以由此迫使(即与在停止信号线路上存在或不存在停止事件不相关)通过调节回路持续地进行自校准。
优选的实施方式示出本发明的优选的扩展方案。
如果对于反节拍信号做出以经特定地协调的形式的选择，那么出现校准的特别高程度的精度。因此，在根据本发明的时间数字转换器装置的一种有利的扩展方案的情况下设置如下：反节拍线路构造用于输送相对于节拍信号相反的或经反转的节拍信号作为反节拍信号。
为此，尤其可以在输入端上构造用于使所输送的节拍信号反转的反转装置或反转器装置。
根据本发明地设置的门延时环节可以具有不同类型的结构。
在如下的情况下得出特别简单的结构：按根据本发明的时间数字转换器装置的另一优选的构型方式，相应的门延时环节的第一延时环节与节拍信号线路串联连接或在该节拍信号线路中串联连接，相应的门延时环节的第二延时环节与停止信号线路串联连接或在该停止信号线路中串联连接，并且在节拍信号线路与停止信号线路之间并联地在延时环节后面连接有触发器单元。
在根据本发明的时间数字转换器装置的另一扩展方案的情况下，相应的触发器单元例如构造为D触发器并且具有数据信号输入端、节拍信号输入端和数据信号输出端。
在此，数据信号输入端可以与所分配的第一延时环节的输出端连接，而节拍信号输入端可以与所分配的第二延时环节的输出端连接。
所得出的n个第一延时环节可以在节拍信号线路中彼此相继地串联连接地构造。
附加地或替代地，所得出的n个第二延时环节可以在停止信号线路中彼此相继地串联连接地构造。
所设置的第一和第二延时环节可以彼此一一对应地构造和/或与所得出的n个触发器单元一一对应地构造。
反节拍线路可以以不同的方式来构型。
因此，在根据本发明的时间数字转换器装置的一种优选的扩展方案的情况下，反节拍线路可以串联连接地具有相应的n个第三延时环节，所述第三延时环节分别彼此相继地分配给彼此相继的第二延时环节并且尤其与这些第二延时环节经由控制连接端耦合。
在根据本发明的时间数字转换器装置的一种优选的实施方式的情况下，第二延时环节和第三延时环节彼此一一对应地构造，优选地与所得出的n个触发器单元一一对应地构造。这意味着第二和第三延时环节优选地是相同类型的或相同的。仅第一延时环节可以根据与第二和第三延时环节的方案相比不同类型的方案来构造。第一延时环节的时间常数T1以及第二和第三延时环节的时间常数T2尤其可以彼此不同。
为了输出所求取的时间值(该时间值表示时刻或时间间隔)，按根据本发明的时间数字转换器装置的另一有利的构型方式，时间数字转换器装置构造有输出总线，该输出总线与触发器单元的数据信号输出端连接。
为了实现反馈，按根据本发明的时间数字转换器装置的另一实施方式，电荷泵和相位探测单元的输出端可以作为调整参量输出端与第一延时环节连接，尤其经由相应的控制输入端耦合和/或经由滤波器耦合。
为了实现反馈，在此尤其电荷泵和相位探测单元的输出端可以作为调整参量输出端经由低通滤波器与接地连接。
此外，本发明涉及一种激光雷达***，该激光雷达***为了确定飞行时间具有根据本发明的时间数字转换器装置。
此外，本发明也涉及一种设备和尤其一种车辆、优选一种机动车，其为了确定距离和/或检测或监测周围环境具有根据本发明地构型的激光雷达***。
附图说明
参照附图详细地描述本发明的实施方式。
图1示出根据本发明的时间数字转换器装置的第一实施方式的示意方框图；
图2示出根据本发明的时间数字转换器装置的另一实施方式的示意方框图。
具体实施方式
以下参照附图1和2详细地描述本发明的实施例和技术背景。相同且等效的以及相同或作用等效的元件和构件以相同的附图标记来表示。并非在出现所述元件和构件的任何情况下都描绘所标记的元件和构件的详细描述。
所示出的特征和另外的特性可以以任意形式彼此分离且任意地彼此组合，而不脱离本发明的核心。
图1根据示意方框图的形式示出根据本发明的时间数字转换器装置100的第一实施方式。
在图1中示出的根据本发明的时间数字转换器装置100的实施方式用于分析处理单个数据源，例如激光雷达***的单个像素。
在此，核心组成部分是n个门延时环节50的一个序列结合节拍信号线路12和停止信号线路13。
每个门延时环节50包括第一延时环节1(在此具有延时时间T1)、第二延时环节2(在此具有尤其可以与延时时间T1不同的延时时间T2)和触发器单元20(在此以D触发器的形式)。
对于n个门延时环节50那么也存在相应的n个第一延时环节1和第二延时环节2。
第一延时环节1在节拍信号线路12中彼此相继地串联连接。第二延时环节2在停止信号线路13中彼此相继地串联连接。
D触发器20分别分配给由第一延时环节1和第二延时环节2构成的一对，其中，D触发器20的数据连接端21与所分配的第一延时元件1的输出端1-2连接而相应的D触发器20的节拍输入端22与分别所分配的第二延时元件2的输出端2-2连接。D触发器20的相应的数据信号输出端23与共同的输出总线40连接。
节拍信号线路12在输入端侧上馈以节拍信号16并且在输出端侧上与电荷泵和相位探测单元10的作为调节参量输入端的第一输入端10-1连接。
根据本发明，为了实现连续的自校准，构造如下的反节拍信号线路14：在输入端侧上给该反节拍信号线路输送反节拍信号18(例如相对于节拍信号16反转的信号)，并且该反节拍信号线路在输出端侧上与电荷泵和相位探测单元10的作为指令参量输入端的第二输入端10-2连接。
在反节拍信号线路14中，相应的n个第三延时环节3——在此具有相同的延时时间T2——彼此相继地串联连接地构造。在此，第二延时环节2和第三延时环节3——尤其经由第二、第三延时环节2、3的控制连接端2-3、3-4——以一对一分配关系彼此耦合地存在。
为了闭合反馈回路，电荷泵和相位探测单元10的输出端10-3作为调整参量输出端——尤其经由第一延时环节1的控制连接端1-3——与第一延时环节1连接。为了实现反馈，电荷泵和相位探测单元10的调整参量输出端10-3有利地可以经由低通滤波器30与接地31连接。电荷泵和相位探测单元10的输出信号是电流信号或者相应于电流信号。该电流信号经由滤波器30转换成电压信号。该电压信号尤其适合作为第一延时环节1的控制信号。
根据本发明的优点在根据图1的时间数字转换器装置100的布置的情况下通过如下方式出现：与在停止信号线路13上存在或不存在停止事件无关地，通过将反节拍信号18——尤其由反转原本的节拍信号16推导出——连续地输送到电荷泵和相位探测单元10的作为指令参量输入端的第二输入端上，也连续地实现通过连接到电荷泵和相位探测单元10的输出端10-3上的调整参量线路11对整个测量回路进行反馈再调节。
在图1中还示出可选的控制电压线路15，该控制电压线路用于结合第二和第三延时环节2、3经由其控制连接端2-3、3-3、3-4输送控制电压19用以细调。
图2示出一种构型方式中的根据本发明的时间数字转换器装置100，该时间数字转换器装置适用于多个信号源，例如用于所依据的激光雷达***的多个像素。
为此，由n个D触发器20连同输出总线40和停止信号线路13构成的序列以相应的数量重复地来补充。在此，所有的D触发器20和第二延时环节2一方面借助节拍信号线路12而另一方面借助反节拍信号线路14以相应的一对一分配关系与设置在那里的第一和第三延时环节1、3连接，从而通过调整参量线路11实现共同的反馈。
因此，可以以在设备上相对较小的开销在根据本发明的激光雷达***的情况下以改善的精度读取例如具有多个像素的线布置(Linienanordnung)。
本发明的所述的和另外的特征和特性根据以下说明来进一步阐述：
为了进行细分辨，目前的时间数字转换器装置100或TDC(英语Time to DigitalConverter：时间数字转换器)的***设计设置常规的延时线路(英语DL：Delay Line)或所谓的微调延时线路(英语VDL：Vernier Delay Line)。这些常规的延时线路或微调延时线路必要时扩展成调节回路，从而出现假定恒定的延时时间并且因此可以测量在停止事件(英语Stopp-Event)与下一节拍事件(英语clk-Event)之间的时间间隔。
在基于直接的飞行时间测量(英语：direct TOF)的光学的3D周围环境检测***中——例如在激光雷达***的情况下——距离分辨率和精度与时间测量的精度有关。
现有的方案在考虑到半导体工艺波动、寄生效应和外部干扰影响的情况下在时间测量的精度和可重复性中具有缺陷。
半导体工艺波动、寄生效应和外部干扰影响使时间分辨率降低和失真并且因此使位置分辨率不可逆地降低和失真。
大多数架构的缺点基于停止事件的相对较低的重复率而产生，该重复率同时预给定最大调节速度。在没有接收脉冲/信号的情况下不可以对***进行再调节。
因此，不可以调节通过热学上的效应或寄生效应所引起的干扰影响。这些干扰影响限制时间分辨率。
此外，目前的***方案对于像素阵列仅可以面密集地集成，因为对于每个像素需要自身的调节回路。
该方法不能够符合对于在热学上不相关的且详细的成像的要求，因为时间分辨率和误差影响不成比例地相对应。
根据本发明所提出的方案能够——更确切地说即使不存在输入信号——校正过程波动和其他决定性的效应，从而由此实现显著地改善分辨率和可重复性。
根据本发明，这通过转移调节回路来实现，该调节回路调节到固定的节拍周期上、与停止事件不相关并且以定义的调节速度来工作。这意味着：经校准的***状态已经在停止事件出现前存在并且实现准确且可重复的结果。
该拓扑同样证实为是有利的，因为该拓扑降低由多个光敏感的结构(APD、SPAD等)构成的接收器阵列的电路技术上的开销，如这在图2中示出的那样。
图1示出根据本发明的结构的基本方案。在图2中示出新方案的简单的可扩展性。
Claims (19)
1.一种时间数字转换器装置(100)，所述时间数字转换器装置具有：
-n个门延时环节(50)的进行自校准的n级链，所述门延时环节混联连接在用于输送节拍信号(16)的节拍信号线路(12)与用于输送停止信号(17)的停止信号线路(13)之间；和
-电荷泵和相位探测单元(10)，所述电荷泵和相位探测单元用于反馈地控制所述门延时环节(50)，所述电荷泵和相位探测单元具有作为调节参量输入端的第一输入端(10-1)、作为指令参量输入端的第二输入端(10-2)和作为调整参量输出端的输出端(10-3)；
其中，
-所述节拍信号线路(12)与所述电荷泵和相位探测单元(10)的第一输入端(10-1)连接；
-用于输送反节拍信号(18)的反节拍线路(14)与所述第二输入端(10-2)连接；并且
-为了进行反馈，所述门延时环节(50)与所述电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10-3)连接。
2.根据权利要求1所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述时间数字转换器装置用于激光雷达***。
3.根据权利要求1所述的时间数字转换器装置(100)，其中，为了进行反馈，所述门延时环节(50)与所述电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10-3)经由滤波器(30)耦合。
4.根据权利要求1所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述反节拍线路(14)构造用于输送相对于所述节拍信号(16)相反的节拍信号作为反节拍信号(18)。
5.根据权利要求4所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述反节拍线路(14)在输入端上具有用于将所输送的节拍信号(16)反转的反转装置。
6.根据以上权利要求中任一项所述的时间数字转换器装置(100)，其中，相应的门延时环节(50)的第一延时环节(1)与所述节拍信号线路(12)串联连接，并且相应的门延时环节(50)的第二延时环节(2)与所述停止信号线路(13)串联连接，并且在节拍信号线路与所述停止信号线路之间并联地在延时环节(1，2)后面连接有触发器单元(20)。
7.根据权利要求6所述的时间数字转换器装置(100)，其中，相应的触发器单元(20)构造为D触发器并且具有数据信号输入端(21)、节拍信号输入端(22)和数据信号输出端(23)。
8.根据权利要求7所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述数据信号输入端(21)与所分配的第一延时环节(1)的输出端(1-2)连接而所述节拍信号输入端(22)与所分配的第二延时环节(2)的输出端(2-2)连接。
9.根据权利要求6所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述n个第一延时环节(1)在所述节拍信号线路(12)中串联连接地构造和/或所述n个第二延时环节(2)在所述停止信号线路(13)中串联连接地构造。
10.根据权利要求9所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述n个第一延时环节(1)与所述n个第二延时环节(2)彼此一一对应地构造和/或与n个触发器单元(20)一一对应地构造。
11.根据权利要求6所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述反节拍线路(14)串联连接地具有相应的n个第三延时环节(3)，所述第三延时环节分别彼此相继地分配给彼此相继的第二延时环节(2)。
12.根据权利要求11所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述第三延时环节(3)与所述第二延时环节(2)经由控制连接端(2-3，3-4)耦合和/或彼此一一对应存在。
13.根据权利要求7所述的时间数字转换器装置(100)，所述时间数字转换器装置具有输出总线(40)，所述输出总线与所述触发器单元(20)的数据信号输出端(23)连接。
14.根据权利要求6所述的时间数字转换器装置(100)，其中，为了进行反馈，所述电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10-3)作为调整参量输出端与所述第一延时环节(1)连接。
15.根据权利要求14所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10-3)经由相应的控制输入端(1-3)耦合和/或经由滤波器耦合。
16.根据权利要求6所述的时间数字转换器装置(100)，其中，所述电荷泵和相位探测单元(10)的输出端(10-3)作为调整参量输出端经由低通滤波器(30)与接地连接。
17.一种激光雷达***，所述激光雷达***为了确定飞行时间具有根据以上权利要求中任一项所述的时间数字转换器装置(100)。
18.一种设备，其为了确定距离和/或监测周围环境具有根据权利要求17所述的激光雷达***。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述设备是一种车辆。
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