CN110347031B - 一种像素级的高精度幅度时间转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种像素级的高精度幅度时间转换电路。本发明实现一种像素级的高精度幅度时间转换电路，即读出电路内部每个像元内集成了一个幅度时间转换电路，因此，在一次探测中，所有像元均可给出不同回波信号的强度信息。本发明的幅度时间转换电路受时钟频率的限制较小，极大提高了转换精度，代表回波信号强度的电压直接以数字格式输出，无需片上ADC进行2次量化，降低了片上***设计的难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度幅度时间转换电路，属于电路技术领域。
背景技术
激光雷达是一种可以精确快速地获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，可以用来进行测距测角等，因此其在军事和民用领域得到了广泛的应用。成像激光雷达分为多种工作模式，如采用单元或线列探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元或线列探测器的扫描成像作用距离可以很远，但成像速率会受到一定的限制；而阵列探测器的成像速度非常快，同时克服了扫描式体积大，质量重，可靠性差的缺点，在实时性和体积要求较高的空间目标相对导航应用中起着至关重要的作用，目前已成为许多国家研究的重点和热点。
APD阵列具有全固态结构、高量子效率等特点，且可以在高增益下保持良好的信噪比。基于APD阵列的激光三维成像雷达采用激光对目标场景进行泛光照射，一次激光脉冲即可获得目标的三维图像。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时，对入射光电子起到线性放大作用，这种工作状态称为线性模式。在线性模式下，反向电压越高，增益就越大。线性APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息和强度信息的激光连续回波信号。
大面阵的线性APD探测器需要配套大面阵激光雷达读出电路，而目前国内激光雷达读出电路还是以分立器件或小面阵为主，分辨率及成像速率较低。当APD规模达到64×64像元甚至更大时，激光雷达读出电路只能采用单片集成的方法实现。基于标准的CMOS工艺实现大面阵激光雷达读出电路芯片，可以缩小控制***的体积、减轻重量、降低功耗、提高抗干扰能力、增加可靠性，在实现对目标高帧频率捕获的同时获得高精度的时间分辨率。
目前大面阵三维成像激光读出电路因受像元面积限制，一般只有计时测距功能，即每个像元内集成一个高精度时间数字转换电路，因此，只能提取回波信号的时间信息。对提取回波信号强度信息，电路只能采用每列或几列共用一个ADC来解决，通过行/列控制信号选择对应像元的幅度，对每个像元的幅度信息逐个进行ADC转换。此方法严重限制了读出电路的工作频率，进而限制了线性APD探测器的成像速度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种像素级的高精度幅度时间转换电路，可实现在读出电路内部每个像元内集成了一个幅度时间转换电路，因此，在一次探测中，使所有像元均可给出不同回波信号的高精度的数字量化的强度信息。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，包括多个D触发器、锁存单元、2选1多路选择器、比较器、门电路及电容；
比较器的反相输入端接峰保电压，同相输入端接电容充放电的检测端口；
其中的第一D触发器及比较器的输出信号经门电路产生控制信号Control，用于控制其他D触发器处于幅度转换期间或数据读出期间的状态；
其中的N个D触发器依次连接构成触发器组，前一个触发器的输出端与后一个触发器的输入端相连；幅度转换期间：触发器组用作计数器；数据读出期间，触发器组用作移位寄存器；
其余D触发器与触发器组依次连接，在幅度转换期间作为存储器，存储各时钟信号相位状态；在数据读出期间作为移位寄存器；
锁存单元用于锁存时钟信号的相位状态，并将锁存信号存储至其余D触发器中；
由控制开始信号Start控制电容进行充电或放电，根据产生的不同的控制信号Control，控制2选1多路选择器根据所处的幅度转换期间或数据读出期间选择传输对应的一路数据。
进一步地，控制开始信号Start输入至MOS开关管的栅极，通过控制MOS开关管控制恒流源I对电容进行充电或放电。
进一步地，当控制开始信号Start控制MOS开关管的栅压为高时，电容C进行放电；
当控制开始信号Start控制MOS开关管的栅压为低时，电容C进行充电。
进一步地，所述时钟信号包括基准时钟信号及经多个延迟单元延迟形成的多个时钟信号。
进一步地，2选1多路选择器传输的两路数据包括前一个像元的数据和四输入同或门电路的输出数据。
进一步地，比较器的输出信号经非门后再与第一D触发器的输出信号相与后产生控制信号Control。
进一步地，当控制信号Control=0时，进入数据读出期间；
当控制信号Control＝1时，进入幅度转换期间。
本发明所达到的有益效果：
本发明实现一种像素级的高精度幅度时间转换电路，即读出电路内部每个像元内集成了一个幅度时间转换电路，因此所有像元均可给出不同回波信号的强度信息；同时，本发明的幅度时间转换电路受时钟频率的限制较小，极大提高了转换精度。代表回波信号强度的电压直接以数字格式输出，无需片上ADC进行2次量化，降低了片上***设计的难度。
附图说明
图1是像素级的高精度幅度时间转换电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例中的转换电路由16个D触发器1D～16D、锁存单元LATCH1～LATCH4、 延迟单元DELAY1～DELAY3、2选1电路、比较器com、门电路、MOS开关管M0、恒流源I及电容C等构成。
电路外部信号为控制开始信号Start、峰保电压VR和时钟信号CLK。
D触发器1D～16D为16个相同的下降沿触发的D触发器。
D触发器1D～12D构成触发器组，各D触发器依次连接，前一个触发器的输出端与后一个触发器的输入端相连，所有触发器的时钟为时钟信号ck1。幅度转换期间：触发器组作为计数器使用；数据读出期间，触发器组做移位寄存器使用。
三个D触发器13D～15D的时钟信号为ck1。幅度转换期间：13D～15D触发器作为存储器使用；数据读出期间，13D～15D做移位寄存器使用。
在其他实施方式下，D触发器的数量也可以采用其他数量，主要根据时钟周期、信号大小而定。
D触发器16D与控制开始信号Start及比较器com经门电路产生控制信号Control。比较器com的输出信号经非门后再与D触发器16D的输出信号相与后输出控制信号Control。
当控制信号Control=1时，电路处于幅度转换期间；
当控制信号Control由1变0，电路进入数据读出期间。
时钟信号CLK可经锁存单元LATCH1锁存，锁存后的时钟信号ck1相位状态存储至D触发器13D中；时钟信号CLK2为时钟信号CLK经一延迟单元DEALY1得到，并可经锁存单元LATCH2锁存，锁存后的相位状态信号ck2存储至D触发器14D中；时钟信号CLK3为时钟信号CLK2经一延迟单元DEALY2得到；时钟信号CLK4为时钟信号CLK3经一延迟单元DEALY3得到，并且，时钟信号CLK3、时钟信号CLK4分别经一锁存单元LATCH3、LATCH4锁存，锁存后的相位状态信号经异或非门输出存储至D触发器15D中。
锁存单元LATCH 用于锁存时钟信号CLK、CLK2、CLK3和CLK4的状态。
控制信号Control＝1，2选1电路选择A端，A端与四输入的同或门电路的输出相连；控制信号Control＝0，2选1电路选择B端。2选1电路即双路选择电路的原理是在控制信号的作用下，实现把A端的数据传输出去或者把B端的数据传输出去。B端的数据就是前一个像元的数据，A端的数据为四输入的同或门电路的输出。
比较器com的反相输入端接峰保电压VR，同相输入端为恒流源I对电容C充放电的检测端口VC。
MOS开关管M0控制电容C进行充电或放电，当控制开始信号Start控制MOS开关管M0的栅压为高时，电容C进行放电操作；当控制开始信号Start控制MOS开关管M0的栅压为低时，电容C进行充电操作。
工作原理：
线性APD光敏芯片将接收到的激光窄脉冲回波信号转换成电流信号，经跨阻放大器转换成一定幅度的电压信号，该电压信号代表激光回波信号的强度；峰保电路把此电压信号保持即为峰保电压VR。本发明的幅度时间转换电路把峰保电压VR进行数字量化处理，方便与回波信号的时间信息整合以实现快速传输。
首先各D触发器清0。在控制开始信号Start由高变低后，开始进行本发明所述的幅度时间转换。
恒流源I对电容C充电，检测端口VC的电压由0逐渐升高。同时，触发器组作为整数计数器使用，D触发器13D～15D作为精确计数器使用，直到检测端口的电压VC>峰保电压VR。控制开始信号Control由1置0，2选1电路选择B端，在下一个时钟信号CLK的下降沿作用下，代表回波强度的峰保电压VR在共15个时钟信号ck1的下降沿依次从D触发器1D～15D读出，因此像元的电压转化和数据输出实现无缝衔接。
当检测端口的电压VC< 峰保电压VR时，锁存单元LATCH1～LATCH4未被锁存；检测端口的电压VC>峰保电压VR时，触发锁存单元LATCH1～LATCH4锁存该时刻的时钟信号CLK、CLK2、CLK3和CLK4的相位状态，并把该状态打入D触发器13D～15D中进行存储。
精确计数器的计数精度可根据延迟单元DELAY进行调节。时钟信号及锁存单元的数量是根据延迟单元的数量来配合设置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，包括多个D触发器、锁存单元、2选1多路选择器、比较器、门电路及电容；
比较器的反相输入端接峰保电压，同相输入端接电容充放电的检测端口；
其中的第一D触发器及比较器的输出信号经门电路产生控制信号Control，用于控制其他D触发器处于幅度转换期间或数据读出期间的状态；
其中的N个D触发器依次连接构成触发器组，前一个触发器的输出端与后一个触发器的输入端相连；幅度转换期间：触发器组用作计数器；数据读出期间，触发器组用作移位寄存器；
其余D触发器与触发器组依次连接，在幅度转换期间作为存储器，存储各时钟信号相位状态；在数据读出期间作为移位寄存器；
锁存单元用于锁存时钟信号的相位状态，并将锁存信号存储至其余D触发器中；
由控制开始信号Start控制电容进行充电或放电，根据产生的不同的控制信号Control，控制2选1多路选择器根据所处的幅度转换期间或数据读出期间选择传输对应的一路数据。
2.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，控制开始信号Start输入至MOS开关管的栅极，通过控制MOS开关管控制恒流源I对电容进行充电或放电。
3.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，当控制开始信号Start控制MOS开关管的栅压为高时，电容C进行放电；
当控制开始信号Start控制MOS开关管的栅压为低时，电容C进行充电。
4.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，所述时钟信号包括基准时钟信号及经多个延迟单元延迟形成的多个时钟信号。
5.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，2选1多路选择器传输的两路数据包括前一个像元的数据和四输入同或门电路的输出数据。
6.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，比较器的输出信号经非门后再与第一D触发器的输出信号相与后产生控制信号Control。
7.根据权利要求1所述的一种像素级的高精度幅度时间转换电路，其特征是，当控制信号Control=0时，进入数据读出期间；
当控制信号Control＝1时，进入幅度转换期间。
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