EP3888247A1 - Analog-digital-wandler - Google Patents

Analog-digital-wandler

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Publication number
EP3888247A1
EP3888247A1 EP19812963.7A EP19812963A EP3888247A1 EP 3888247 A1 EP3888247 A1 EP 3888247A1 EP 19812963 A EP19812963 A EP 19812963A EP 3888247 A1 EP3888247 A1 EP 3888247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
analog
signal
digital converter
histogram
Prior art date
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Pending
Application number
EP19812963.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Beuschel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microvision Inc
Original Assignee
Ibeo Automotive Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ibeo Automotive Systems GmbH filed Critical Ibeo Automotive Systems GmbH
Publication of EP3888247A1 publication Critical patent/EP3888247A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/08—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise
    • H03M1/0836—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise of phase error, e.g. jitter
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/50—Analogue/digital converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/56—Input signal compared with linear ramp
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G01S7/4866—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak by fitting a model or function to the received signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates generally to an analog-to-digital converter.
  • Various methods for optical transit time measurement are generally known, which can be based on the so-called time-of-flight principle, in which the transit time of a light signal emitted and reflected by an object is measured in order to determine the distance to the object on the basis of the transit time.
  • sensors which are based on the so-called LIDAR principle (Light Detection and Ranging), in which pulses are periodically emitted and the reflected pulses are detected to scan the surroundings.
  • LIDAR principle Light Detection and Ranging
  • a corresponding method and a device are known for example from WO 2017/081294.
  • analog signals are from one
  • Photodiode can be emitted for light measurements, to be scanned or for that
  • the present invention provides an analog-to-digital converter comprising:
  • a first time-to-digital converter sampling the analog signal based on a ramp signal and providing an output to the histogram block, which generates a time-correlated histogram based thereon.
  • AD converter (hereinafter AD converter) ready, comprehensive:
  • the first time-to-digital converter sampling the analog signal based on a ramp signal and providing an output to the histogram block, which generates a time-correlated histogram based thereon.
  • the analog signals that are emitted by a photodiode for light measurements are to be sampled or for monitoring the current and / or voltage signals of a laser or a laser diode and accordingly the AD converter is used for the AD conversion in some exemplary embodiments analog signals from a photodiode or the voltage or current from a laser (diode) or the like and it can be used in a
  • a device for LI DAR measurements or the like which is used for example in the automotive environment, without the present invention being limited to these cases. Consequently, some exemplary embodiments also relate to a device with a detector or sensor, for example based on SPAD (Single Avalanche Photo Diode) technology, CAPD (Current Assisted Photo Diode) technology, CMOS
  • SPAD Single Avalanche Photo Diode
  • CAPD Current Assisted Photo Diode
  • CMOS Current Assisted Photo Diode
  • the AD converter Complementary Metal Oxide Semiconductor technology or the like, for detecting light pulses which are emitted by a light source (eg laser) and reflected by an object, in which device the AD converter the invention can be used. Furthermore, such a device can be set up to determine the transit time of the emitted light pulses and, based on this, to determine, for example, the distance between the device and the object, a three-dimensional image of the object or the like. In some exemplary embodiments, the determination of the distance is based on the so-called TCSPC (time correlated single photon couting) measuring principle,
  • TCSPC time correlated single photon couting
  • the devices, devices or AD converters described can also be used in an autonomously operated (motor) vehicle.
  • Laser current pulses in particular for LIDAR measurements, can be in the range between two to ten nanoseconds and consequently, AD converters with a frequency of 1 GHz to 5 GHz would be required, such AD converters typically being expensive and having a high consumption (e.g. .> 500 mW).
  • fast time-to-digital converters are generally known and can, for example, have a time resolution of better than 500 picoseconds and the first time-to-digital converter (also called “TDC”, time-to-digital converter) can accordingly based on such a known TDC.
  • TDC time-to-digital converter
  • analog signals such as the current signal or voltage signal from a light source, can be digitized inexpensively and with high time resolution.
  • the first TDC provides a corresponding output based on the analog signal, the output typically containing time-correlated digital values that characterize the analog signal by using the ramp signal for sampling.
  • the histogram block creates a time-correlated histogram, the bins of which relate to a start time and consequently represent the time interval from the start time, the respective values of the output of the first TDC being filled into each bin. Accordingly, in some embodiments, the amplitude of a periodic input signal (analog signal) can be compared to the ramp signal and the shape of the periodic input signal can be sampled sequentially in several sampling cycles.
  • the histogram block is configured to correct the time-correlated histogram in order to reduce the effect of a time jitter.
  • the time jitter can cause values in the output of the first TDC to be correlated with "wrong" ones (e.g. due to time or late).
  • the histogram block can at least partially correct such temporal shifts and / or the associated too high or low values in the time-correlated histogram, wherein the correction here does not necessarily mean a complete correction in the sense that the effects of a time jitter can be completely compensated for, but rather it also includes a partial correction in which, for example, the effects of a time jitter are at least partially
  • the time jitter effect results
  • Time-shifted values in the output of the first time-to-digital converter and such effects can be at least partially mitigated.
  • the histogram block combines values from different outputs.
  • the first TDC provides sequential outputs, for example, and the histogram block can contain values from such different,
  • the values can be combined so that the maximum value of an output is filled in the time-correlated histogram. If, for example, a second output for the same bin of the time-correlated histogram contains a higher value than the one already existing and from a first output, the existing value is replaced by the higher value of the second output.
  • the values can also be combined in such a way that an average value is filled into the time-correlated histogram, for example the average of a value from a previous output and the value of a current output for a specific bin of the time-correlated histogram.
  • the values are combined based on a function
  • the function may be non-linear, which in principle in some embodiments results in a finer or more fine-tuned or
  • the function can also depend on the difference in the values, so that, for example, there is a greater correction in the case of larger differences between different outputs.
  • the values in the time-correlated histogram are shifted by at least one time instance. This can (at least partially) compensate for shifts in sample values caused by time jitter.
  • the AD converter further includes one
  • the periodic start signal input for receiving a periodic start signal.
  • the periodic start signal can, for example, be generated by a pulse generator and delivered to the AD converter.
  • the periodic start signal can also be supplied to the (first) TDC and / or to the histogram block, which then the
  • the AD converter further includes one
  • Ramp generator that generates the ramp signal.
  • the ramp generator has a ramp counter, for example, which generates a counter value based on the periodic start signal.
  • the AD converter (or the ramp generator) further comprises a digital-to-analog converter, which generates the ramp signal based on the counter value.
  • the AD converter further includes a comparator that compares the ramp signal and the analog signal and outputs a comparator signal to the first time-to-digital converter.
  • the AD converter further includes a second time-to-digital converter, the first time-to-digital converter capturing time intervals at which the analog signal is above the ramp signal and the second time-to-digital converter capturing time intervals at which the analog signal is below the ramp signal.
  • the corresponding outputs of the first and second TDC are delivered to the histogram block, which based on that
  • the histogram block for example, outputting a waveform that it generates based on the time-correlated histogram, for example by using a Gaussian function, a
  • Some embodiments also relate to a (computer) program that
  • Some embodiments also relate to a computer readable medium that receives a program or instructions that, when executed on a processor or computer, result in the program or method described herein being executed.
  • FIG. 1 illustrates a circuit diagram of an embodiment of an analog-to-digital converter
  • Figure 4 shows an output of a TDC and a TC histogram under the influence of time jitter, the TC histogram being corrected
  • FIG. 6 illustrates a circuit diagram of an exemplary embodiment of an analog-digital converter with a preactivation signal.
  • Fig. 1 illustrates a circuit diagram of an embodiment of an analog-digital converter 1, hereinafter referred to as AD converter 1.
  • the AD converter 1 can be used for all signals that are periodic and repeat themselves at least twice without being changed.
  • the AD converter 1 is used in a LI DAR measuring system which uses the TCSPC measuring principle.
  • the laser pulse used or the laser pulse sequence can be emitted periodically and at a high frequency, e.g. B. every two microseconds for a 300 meter range.
  • the basic functioning of the AD converter is based on the fact that a periodic input signal is compared with a ramp signal.
  • the ramp signal is relatively slow and can be synchronous or asynchronous with the periodic input signal cycle.
  • TDCs Time-to-Digital Converter
  • the AD converter 1 has an analog input 2, at which the analog signal to be converted is input, and it has a start signal input 3, at which a periodic start signal or pulse signal is present, which, for example
  • Pulse generator comes and is also used for the generation of light pulses for the LIDAR measuring system.
  • the AD converter 1 has a comparator 4 in order to compare the analog signal which is received at the analog input 2 with an analog ramp signal.
  • the analog ramp signal is in the form of a rising sawtooth in this embodiment, starts at approximately zero volts, and rises to one
  • the rise time of the ramp signal is based on a fixed multiple of the pulse generator frequency and is e.g.
  • framp 1/128 * fpulse to scan with an effective resolution of 7 bits, where "framp” is the frequency of the ramp signal and “fpulse” is the frequency of the
  • Pulse signal which is received via start signal input 3.
  • the ramp signal is generated via a ramp counter 5 which is coupled to a digital-to-analog converter 6 (DA converter hereinafter referred to).
  • DA converter digital-to-analog converter
  • the ramp counter 5 increments its counter by one with each received start pulse (that is, when a new sampling cycle is started) that is received via the start signal input 3.
  • the binary value obtained is supplied to the DA converter 6, which generates a corresponding ramp signal from the binary value, which consequently also has a higher ramp voltage or a higher ramp threshold with increasing binary value.
  • the output of the comparator 4 is on the one hand (directly) coupled to a first TDC 7 and on the other hand (indirectly) coupled to a second TDC 8, the comparator signal first passing through an inverter 9 which inverts the comparator signal and then supplies it to the second TDC 8 .
  • the start pulse is also supplied from the start signal input 3 to the first TDC 7 and to the second TDC 8, so that the "start" of the signal pulse starts a measurement cycle.
  • the first TDC 7 measures the time instances (or time intervals) when the analog input signal coming from the analog input 2 rises above the ramp signal, that is to say it crosses upwards, with respect to the start signal which is received by the start signal input 3.
  • the second TDC 8 receives the inverted comparator signal and measures it
  • the first 7 and the second TDC 8 each output their measurement results (outputs) to a histogram block 10.
  • Measurement result in histogram block 0 can be evaluated.
  • the ramp counter 5 also gives a digital counter value (corresponds to one
  • the time intervals at which the analog input signal is above the ramp signal are stored in the histogram of the histogram block, with all measurements being aligned with a different ramp voltage at the time “0”, which is determined by the start signal.
  • the analog input signals can have between 0 and N time intervals in each sampling cycle if it exceeds the ramp signal.
  • Ramp generation is ended and the data in the histogram of the histogram block 10 are ready for the evaluation, being after the evaluation
  • the measurement cycle is restarted by resetting the ramp counter 5 and filling the histogram of the histogram block 10 with “0” values.
  • the sampling of the analog input signal by the first TDC 7 results in twelve entries for the output 20.
  • the TC histogram 21 shows the state after a complete measurement cycle. Again there are six values on the ordinate corresponding to the six
  • the bins of the TC histogram 21 are each time the value of
  • the course of the TC histogram 21 roughly corresponds to a sine or Gaussian curve.
  • the sequential scanning can react sensitively to time jitter and with some
  • the histogram block 10 of the AD converter 1 of FIG. 1 is set up accordingly, so that the time-jitter performance is improved.
  • FIG. 3 illustrates an output 25 of the first TDC 7 at the top and the resulting TC histogram 26 at the bottom, as is shown in the histogram block 10 under the influence of an (uncorrected)
  • a time instance T is sampled at a level N (ramp threshold), then a new value in the TC histogram (memory) for the time instance T is Fh (T, N).
  • Combination (A, B) (A + B) / 2, that is, the new value corresponds to the mean of the values A and B, which is also referred to as the “50% combination method”.
  • combination (A, B) truncated ((A + B) / 2) is provided, which corresponds to a shift to the right by one bin, the fraction being discarded.
  • a non-linear mapping function is used, which depends on the difference between B-A, and that the histogram values are corrected accordingly in order to reduce the effect of the time jitter.
  • FIG. 4 shows again the output 25 of the first TDC 7 with a
  • the resulting TC histogram 30, which, by applying the above-mentioned measures, namely rules (1) and (2), is shown in FIG. 4 below, the effect of the time jitter being compared to the TC histogram 26 of FIG. 3 is reduced.
  • the sample value at 30a (see value at 26a in FIG. 3) is reduced from the value “3” (26a in FIG. 3) to the value “2” (30a in FIG. 4) (original is “1”).
  • the sample value which corresponds to the value at 26b in FIG. 2, remains at the value “3” and is therefore not changed (original is “4”).
  • the sample at 30b is reduced from “4" to "3" (original is "4").
  • the sample value at 30c is reduced from "3.5" (see 26c in Fig. 3) to "2.5" (original is “1").
  • Combination method ” (rule (2)) generates a TC histogram 30 which comes closer to the original course of the TC histogram 21 without time jitter than the application of the explained combination method, in which simply the maximum value is taken and which in the case of time jitter is in the middle 5
  • the maximum combination method shown in the middle of FIG. 5 tends to broaden the shape of the histogram and to produce larger steps in the values between the individual bins, since it represents both the time jitter and the shape of the signal.
  • the 50% combination method tends to increase the rise and fall times according to the time jitter statistics.
  • AD converter 40 illustrates a circuit diagram of a further exemplary embodiment of an analog-digital converter 40, hereinafter referred to as AD converter 40 for short.
  • AD converter 40 as also explained above, can be used with all
  • a preactivate signal is provided to initialize the AD conversion before the analog (input) signal is converted.
  • This preactivation signal is sent, for example, 3 ns before the start signal, without restricting the present invention to this example.
  • the AD converter 40 has an analog input 41, at which the analog signal to be converted is input, and it has a start signal input 51, at which a periodic start signal or pulse signal is present, which, for example
  • Pulse generator comes and is also used for the generation of light pulses for the LIDAR measuring system.
  • the AD converter 40 has a preactivation signal input 42, to which a preactivation signal is present, which, as mentioned, is sent, for example, 3 ns before the start signal.
  • the AD converter 40 has a comparator 43 to convert the analog signal received at the analog input 41 to an analog signal
  • the analog ramp signal is in the form of a rising sawtooth in this embodiment, starts at approximately zero volts, and rises to one
  • the rise time of the ramp signal is based on a fixed multiple of the pulse generator frequency and is e.g.
  • framp 1/128 * fpulse to scan with an effective resolution of 7 bits, where "framp” is the frequency of the ramp signal and “fpulse” is the frequency of the
  • Pulse signal which is received via the pre-activation signal input 42.
  • the ramp signal is generated via a ramp counter 44 which is connected to a
  • Digital-to-analog converter 45 (DA converter referred to below) is coupled.
  • the ramp counter 44 increments its counter by one with each received preactivation signal received via the preactivation signal input 42.
  • the binary value obtained is supplied to the DA converter 45, which generates a corresponding ramp signal from the binary value, which consequently also produces a higher ramp voltage or a higher ramp value as the binary value increases
  • Has ramp threshold The output of the comparator 43 is on the one hand (directly) coupled to a first TDC 46 and on the other hand (indirectly) coupled to a second TDC 47, the comparator signal previously passing through an inverter 48 which inverts the comparator signal and then supplies it to the second TDC 47 .
  • the pre-activation signal is also supplied from the pre-activation signal input 42 to the first TDC 46 and to the second TDC 47, so that the
  • Preactivation signal initialized a scan.
  • the first TDC 46 measures the time instances (or time intervals) when the analog input signal coming from the analog input 41 rises above the ramp signal, ie crosses it up, with respect to the preactivation signal which is received by the preactivation signal input.
  • the second TDC 47 receives the inverted comparator signal and measures it
  • the first 46 and the second TDC 47 each output their measurement results (outputs) to a synchronizer 50, which synchronizes the outputs of the TDCs 46 and 47 with the start signal 51.
  • the synchronizer 50 determines the time interval between the preactivation signal and the start signal by means of
  • t_diff (SC) t_Start - t_Vor2011 mich, where t_d iff (SC) the time interval between the start signal and preactivation signal measured at the synchronizer 50, t_Start the time of the start signal and t_Vor2011 mich the time of the
  • Pre-activation signal is.
  • the times t start and t_pre-activation are determined by means of the time t_nominal, which is at least as long as the maximum measured time Distance between the start signal and the pre-activation signal, ie tjiominal> max (t_diff (SC)).
  • t_nominal is used as a constant time value in each
  • Measurement result in histogram block 49 can be evaluated.
  • the ramp counter 44 also gives a digital counter value corresponding to the
  • the ramp threshold value being low at the beginning and increasing in the course.
  • the time intervals at which the analog input signal is above the ramp signal are stored in the histogram of histogram block 49, all measurements being aligned with a different ramp voltage at the point in time “0”, which is determined by the preactivation signal.
  • Input signal is above the ramp signal.
  • Ramp generation ended and the data in the histogram of the histogram Blocks 49 are ready for the evaluation, and a corresponding waveform output 52 can take place after the evaluation.
  • the measurement cycle is restarted by resetting the ramp counter 44 and filling the histogram of the histogram block 49 with “0” values.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler (1), umfassend: einen analogen Eingang zum Empfangen eines analogen Signals; einen ersten Zeit-Digital-Wandler (7); und einen Histogramm-Block (10), wobei der erste Zeit-Digital-Wandler (7) das analoge Signal basierend auf einem Rampensignal abtastet und eine Ausgabe (20, 25) an den Histogramm-Block (10) liefert, der darauf basierend ein zeitkorreliertes Histogramm (21, 26, 30) erstellt

Description

Analog-Digital-Wandler
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Analog-Digital-Wandler.
Allgemein sind verschiedene Verfahren zur optischen Laufzeitmessung bekannt, die auf dem sogenannten Time-of-Flight Prinzip beruhen können, bei dem die Laufzeit eines ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Lichtsignals gemessen wird, um die Distanz zu dem Objekt auf Grundlage der Laufzeit zu bestimmen.
Insbesondere im Kraftfahrzeugumfeld werden Sensoren eingesetzt, die auf dem sogenannten LIDAR-Prinzip beruhen (Light Detection and Ranging), bei dem zum Abtasten der Umgebung periodisch Pulse ausgesendet und die reflektierten Pulse detektiert werden. Ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung sind beispielsweise aus WO 2017/081294 bekannt.
Bei Time-of-Flight Messungen, insbesondere bei LIDAR-Messungen, ist es
erforderlich, unterschiedliche analoge Signale zu überwachen und mit einer hohen Abtastrate abzutasten. Zum Beispiel sind die analogen Signale, die von einer
Photodiode für Lichtmessungen ausgesendet werden, abzutasten oder für die
Überwachung die Strom- und/oder Spannungssignale eines Lasers bzw. einer Laserdiode.
Auch wenn aus dem Stand der Technik Lösungen für die Abtastung analoger Signale bekannt sind, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Analog-Digital- Wandler bereitzustellen.
Diese Aufgabe löst der Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Analog-Digital- Wandler bereit, umfassend:
einen analogen Eingang zum Empfangen eines analogen Signals;
einen ersten Zeit-Digital-Wandler; und einen Histogramm-Block, wobei der erste Zeit-Digital-Wandler das analoge Signal basierend auf einem Rampensignal abtastet und eine Ausgabe an den Histogramm- Block liefert, der darauf basierend ein zeitkorreliertes Histogramm erstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie erwähnt, betreffen manche Ausführungsbeispiele einen Analog-Digital-Wandler
(im Folgenden AD-Wandler) bereit, umfassend:
einen analogen Eingang zum Empfangen eines analogen Signals;
einen ersten Zeit-Digital-Wandler; und
einen Histogramm-Block, wobei der erste Zeit-Digital-Wandler das analoge Signal basierend auf einem Rampensignal abtastet und eine Ausgabe an den Histogramm- Block liefert, der darauf basierend ein zeitkorreliertes Histogramm erstellt.
Wie eingangs erwähnt, ist es insbesondere bei LIDAR-Messungen erforderlich, unterschiedliche analoge Signale zu überwachen und mit einer hohen Abtastrate abzutasten. Zum Beispiel sind die analogen Signale, die von einer Photodiode für Lichtmessungen ausgesendet werden, abzutasten oder für die Überwachung die Strom- und/oder Spannungssignale eines Lasers bzw. einer Laserdiode und entsprechend wird der AD-Wandler bei manchen Ausführungsbeispielen für die AD- Wandlung von analogen Signale einer Photodiode oder der Spannung oder Stroms von einem Laser(-diode) oder dergleichen eingesetzt und er kann in einer
entsprechenden Vorrichtung vorgesehen sein, z. B. einer Vorrichtung für LI DAR Messungen oder dergleichen, die bspw. im Kraftfahrzeugumfeld eingesetzt wird, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Fälle beschränkt ist. Folglich betreffen manche Ausführungsbeispiele auch eine Vorrichtung mit einem Detektor oder Sensor, zum Beispiel auf der SPAD (Single Avalanche Photo Diode) Technologie basierend, CAPD (Current Assisted Photo Diode) Technologie, CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) Technologie oder dergleichen, zum Detektieren von Lichtpulsen, die von einer Lichtquelle (z. B. Laser) emittiert und von einem Objekt reflektiert werden, wobei in einer solchen Vorrichtung der AD-Wandler der Erfindung eingesetzt werden kann. Ferner kann eine solche Vorrichtung entsprechend dazu eingerichtet sein, die Laufzeit der emittierten Lichtpulse zu ermitteln und darauf basierend bspw. die Distanz zwischen der Einrichtung dem Objekt, eine dreidimensionale Abbildung des Objekts oder dergleichen zu ermitteln. Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert die Bestimmung der Distanz auf dem sogenannten TCSPC (time correlated single photon couting) Messprinzip,
insbesondere bei Ausführungsbeispielen, welche auf LI DAR basieren. Die
beschriebenen Einrichtungen, Vorrichtungen bzw. AD-Wandler können auch Einsatz in einem autonom betriebenen (Kraft-)Fahrzeug finden.
Laserstrompulse, insbesondere bei LIDAR-Messungen, können im Bereich zwischen zwei bis zehn Nanosekunden sein und folglich würden klassischerweise AD-Wandler mit einer Frequenz von 1 GHz bis 5 GHz benötigt, wobei derartige AD-Wandler typischerweise teuer sind und einen hohen Verbrauch haben (bspw. > 500 mW).
Im Gegensatz dazu sind schnelle Zeit-Digital-Wandler grundsätzlich bekannt und können bspw. eine Zeitauflösung von besser als 500 Pikosekunden haben und der erste Zeit-Digital-Wandler (auch„TDC“, time-to-digital Converter, genannt) kann entsprechend auf einem solchen an sich bekannten TDC basieren. Dadurch können bei manchen Ausführungsbeispielen analoge Signale, wie das Stromsignal oder Spannungssignal von einer Lichtquelle kostengünstig und mit hoher Zeitauflösung digitalisiert werden.
Der erste TDC liefert eine entsprechend Ausgabe basierend auf dem analogen Signal, wobei die Ausgabe typischerweise zeitkorrelierte, digitale Werte enthält, die das analoge Signal charakterisieren, indem es das Rampensignal für die Abtastung zugrunde legt.
Der Histogramm-Block erstellt ein zeitkorreliertes Histogramm, dessen Bins sich auf einen Startzeitpunkt beziehen und folglich den zeitlichen Abstand zum Startzeitpunkt darstellen, wobei in jeden Bin die entsprechenden Werte der Ausgabe des ersten TDC eingefüllt werden. Entsprechend kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Amplitude eines periodischen Eingangssignals (analogen Signals) mit dem Rampensignal verglichen werden und die Form des periodischen Eingangssignals kann sequentiell in mehreren Abtastzyklen abgetastet werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Histogramm-Block dazu eingerichtet, das zeitkorrelierte Histogramm zu korrigieren, um den Effekt eines Zeitzitterns zu verringern. Das Zeitzittern (engl „time jitter“) kann dazu führen, dass Werte in der Ausgabe des ersten TDC zu mit„falschen“ (z. B. zeitlich zu führ oder spät) korreliert sind. Der Histogramm-Block kann solche zeitlichen Verschiebungen und/oder damit einhergehende zu hohe oder niedrige Werte im zeitkorrelierten Histogramm wenigstens teilweise korrigieren, wobei das Korrigieren hier nicht notwendigerweise eine vollständige Korrektur in dem Sinne bedeutet, dass die Effekte eines Zeitzitterns vollständig kompensiert werden können, sondern es umfasst auch eine teilweise Korrektur, bei der bspw. die Effekte eines Zeitzitterns wenigstens teilweise
abgemildert sind.
Bei manchen Ausführungsbeispielen führt der Effekt des Zeitzitterns zu
zeitverschobenen Werten in der Ausgabe des ersten Zeit-Digital-Wandlers und solche Effekte können wenigstens teilweise abgemildert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kombiniert der Histogramm-Block Werte aus verschiedenen Ausgaben. Der erste TDC liefert bspw. sequentielle Ausgaben und der Histogramm-Block kann Werte aus solchen verschiedenen,
aufeinanderfolgenden Ausgaben kombinieren.
Zum Beispiel können die Werte so kombiniert werden, dass der maximale Wert einer Ausgabe in das zeitkorrelierte Histogramm gefüllt wird. Enthält bspw. eine zweite Ausgabe für denselben Bin des zeitkorrelierten Histogramms einen höheren Wert als der bereits vorhandene und von einer ersten Ausgabe stammende, so wird der vorhandene Werte durch den höheren Wert der zweiten Ausgabe ersetzt. Dabei können die Werte aber auch so kombiniert werden, dass ein Durchschnittswert in das zeitkorrelierte Histogramm gefüllt wird, also zum Beispiel der Durchschnitt aus einem Wert einer vorherigen Ausgabe und dem Wert einer aktuellen Ausgabe für einen bestimmten Bin des zeitkorrelierten Histogramms.
Bei manchen Ausführungsbeispielen werden die Werte auf Grundlage einer Funktion kombiniert, wobei die Funktion nicht-linear sein kann, was grundsätzlich bei manchen Ausführungsbeispielen zu einer feineren bzw. feiner abgestimmten oder
angepassten Korrekturen von Zeitzitter-Effekten führen kann. Die Funktion kann auch von der Differenz der Werte abhängen, sodass bspw. bei größeren Differenzen zwischen verschiedenen Ausgaben eine stärkere Korrektur erfolgt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen werden die Werte in dem zeitkorrelierten Histogramm um wenigstens eine Zeitinstanz verschoben. Damit können durch Zeitzittern hervorgerufenen Verschiebungen von Abtastwerten (wenigstens teilweise) kompensiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der AD-Wandler weiter einen
Startsignaleingang zum Empfangen eines periodischen Startsignals. Das periodische Startsignal kann bspw. von einem Pulsgenerator erzeugt und an den AD-Wandler geliefert werden. Das periodische Startsignal kann auch an den (ersten) TDC und/oder an den Histogramm-Block geliefert werden, wobei diese dann das
Startsignal ebenfalls zum Starten eines Messzyklus verwenden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der AD-Wandler weiter einen
Rampengenerator der das Rampensignal generiert. Der Rampengenerator weist bspw. einen Rampenzähler auf, der basierend auf dem periodischen Startsignal einen Zählerwert generiert. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der AD- Wandler (bzw. der Rampengenerator) weiter einen Digital-Analog-Wandler, der basierend auf dem Zählerwert das Rampensignal generiert. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der AD-Wandler weiter einen Komparator, der das Rampensignal und das analoge Signal vergleicht und ein Komparatorsignal an den ersten Zeit-Digital-Wandler ausgibt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der AD-Wandler weiter einen zweiten Zeit-Digital-Wandler, wobei der erste Zeit-Digital-Wandler Zeitintervalle erfasst, bei denen das analoge Signal oberhalb des Rampensignals ist und der zweite Zeit- Digital-Wandler Zeitintervalle erfasst, bei denen das analoge Signal unterhalb des Rampensignal ist. Die entsprechenden Ausgaben des ersten und zweiten TDC werden an den Histogramm-Block geliefert, der dann darauf basierend das
zeitkorrelierte Histogramm erzeugt, das dann weiter ausgewertet werden kann, wobei der Histogramm-Block bspw. eine Wellenform ausgibt, die er basierend auf dem zeitkorrelierten Histogramm erzeugt, indem er bspw. eine Gaußfunktion, eine
Sinusfunktion oder dergleichen an den Verlauf des zeitkorrelierten Histogramms anpasst.
Die oben bzw. hierin erläuterten Verfahrensschritte können auch Gegenstand eines Verfahrens zum Betreiben eines AD-Wandlers sein, insbesondere wie er hierin offenbart ist.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen auch ein (Computer-)Programm, das
Instruktionen erhält, die, wenn sie auf einem Prozessor oder Computer ausgeführt werden, dazu führen, dass das hierin beschriebene Verfahren ausgeführt wird.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen auch ein Computer-lesbares Medium, das ein Programm bzw. Instruktionen erhält, das bzw. die, wenn sie auf einem Prozessor oder Computer ausgeführt werden, dazu führen, dass das hierin beschriebene Programm bzw. Verfahren ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der: Fig. 1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers veranschaulicht; und
Fig. 2 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Histogramm zeigt;
Fig. 3 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Flistogramm unter dem Einfluss von Zeitzittern zeigt;
Fig. 4 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Histogramm unter dem Einfluss von Zeitzittern zeigt, wobei das TC-Histogramm korrigiert ist;
Fig. 5 TC-Histogramme mit (Mitte) und ohne (links) Einfluss von Zeitzittern zeigt und ein korrigiertes TC-Histogramm zeigt (rechts); und
Fig. 6 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers mit einem Voraktivierungssignal veranschaulicht.
Fig. 1 veranschaulicht ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines Analog- Digital-Wandlers 1 , im Folgenden kurz AD-Wandler 1 genannt.
Grundsätzlich kann der AD-Wandler 1 , wie auch oben ausgeführt, bei allen Signalen Einsatz finden, die periodisch sind und sich wenigstens zweimal wiederholen, ohne dass sie geändert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispielen wird ohne die Erfindung darauf zu beschränken angenommen, dass der AD-Wandler 1 in einem LI DAR Messsystem Einsatz findet, welches das TCSPC Messprinzip verwendet. Dabei kann der verwendete Laserpuls oder die Laserpulssequenz periodisch und bei einer hohen Frequenz emittiert werden, z. B. alle zwei Mikrosekunden für einen 300 Meter- Bereich.
Die grundsätzliche Funktionsweise des AD-Wandlers beruht darauf, dass ein periodisches Eingangssignal mit einem Rampensignal verglichen wird. Das Rampensignal ist verhältnismäßig langsamen und kann synchron oder asynchron mit dem periodischen Eingangssignalzyklus sein. TDCs (Time-to-Digital Converter) messen die Zeitpunkte, an denen das Rampensignale für jede Periode gekreuzt wird und die Messungen werden in einen zeitkorrelierten Histogramm-Block geschrieben, wie auch im Folgenden näher erläutert wird:
Der AD-Wandler 1 hat einen analogen Eingang 2, an dem das zu wandelnde analoge Signal eingegeben wird und er hat einen Startsignaleingang 3 an dem ein periodische Startsignal bzw. Pulssignal anliegt, welches bspw. von einem
Pulsgenerator stammt und auch für die Erzeugung von Lichtpulsen für das LIDAR Messsystem verwendet wird.
Ferner hat der AD-Wandler 1 einen Komparator 4, um das analoge Signal, welches an dem analogen Eingang 2 empfangen wird, mit einem analogen Rampensignal zu vergleichen.
Das analoge Rampensignal hat die Form eines steigenden Sägezahns in diesem Ausführungsbeispiel, startet bei ungefähr null Volt und steigt bis zu einem
vorgegebenen Maximalwert. Hier basiert das Steigdauer des Rampensignals auf einem festen Vielfachen der Pulsgeneratorfrequenz und ist bspw.
framp = 1/128*fpulse, um mit einer effektiven Auflösung von 7 Bits abzutasten, wobei „framp“ die Frequenz des Rampensignals ist und„fpulse“ die Frequenz des
Pulssignals, welches über den Startsignaleingang 3 empfangen wird.
Das Rampensignal wird über einen Rampenzähler 5 generiert, der mit einem Digital- Analog-Wandler 6 (DA-Wandler im Folgenden genannt) gekoppelt ist.
Der Rampenzähler 5 erhöht mit jedem empfangenen Startpuls (das heißt beim Start eines neuen Abtastzyklusses), der über den Startsignaleingang 3 empfangen wird, seinen Zähler um eins. Der erhaltenen binäre Wert wird an den DA-Wandler 6 geliefert, der aus dem binären Wert ein entsprechendes Rampensignal generiert, welches folglich auch mit steigenden binären Wert eine höhere Rampenspannung bzw. einen höheren Rampenschwellwert hat.
Der Ausgang des Komparators 4 ist einerseits (direkt) mit einem ersten TDC 7 gekoppelt und andererseits (indirekt) mit einem zweiten TDC 8 gekoppelt, wobei das Komparatorsignal zuvor durch einen Inverter 9 läuft, der das Komparatorsignal invertiert und dann an den zweiten TDC 8 liefert.
Der Startpuls wird ebenfalls vom Startsignaleingang 3 an den ersten TDC 7 und an den zweiten TDC 8 geliefert, sodass der„Start“ des Signalpulses einen Messzyklus startet.
Der erste TDC 7 misst die Zeitinstanzen (oder Zeitintervalle), wenn des vom analogen Eingang 2 stammende analoge Eingangssignal über das Rampensignal hinaussteigt, dieses also nach oben kreuzt, bezüglich des Startsignals, welches vom Startsignaleingang 3 empfangen wird.
Der zweite TDC 8 empfängt das invertierte Komparatorsignal und misst die
Zeitinstanzen (oder Zeitintervalle), wenn das vom analogen Eingang 2 stammende analoge Eingangssignal unter das Rampensignal fällt, dieses also nach unten kreuzt, bezüglich des Startsignals, welches vom Startsignaleingang 3 empfangen wird.
Der erste 7 und der zweite TDC 8 geben ihre Messergebnisse (Ausgaben) jeweils an einen Histogramm-Block 10 aus.
Dieser Messvorgang geht solange, bis der Rampenzähler 5 einen vorgegeben Wert erreicht und das zeitkorrelierte und im Histogramm-Block 10 vorliegende
Messerergebnis im Histogramm-Blockl 0 ausgewertet werden kann.
Der Rampenzähler 5 gibt auch einen digitalen Zählerwert (entspricht einem
Abtastzyklus-Zählwert), der dem Rampenschwellwert entspricht, an den Histogramm- Block 10 aus, wobei am Anfang der Rampenschwellwert niedrig ist und im Verlauf ansteigt. Bei Beginn eines jeden Messzyklus sind alle Histogrammwerte im Histogramm-Block
10 mit einer„0“ initialisiert.
Die Zeitintervalle, bei denen das analoge Eingangssignal über dem Rampensignal ist, werden in dem Histogramm des Histogramm-Blocks gespeichert, wobei alle Messungen mit einer unterschiedlichen Rampenspannung an dem Zeitpunkt„0“ ausgerichtet sind, der durch das Startsignal festgelegt ist. Dabei können die analogen Eingangssignale zwischen 0 und N Zeitintervalle in jedem Abtastzyklus haben, wenn es das Rampensignal überschreitet.
Immer wenn das analoge Eingangssignal das Rampensignal in einem Abtastzyklus überschreitet, wird der zughörige Bereich von Bins des Histogramms mit dem aktuellen Zählerwert des Rampenzählers 5 gefüllt, wobei kleinere Werte mit größeren Werten bei aufeinanderfolgenden Zyklen überschrieben werden, wenn das analoge Eingangssignal über dem Rampensignal ist.
Wie erwähnt, wenn der Rampenzähler 5 den Maximalwert erreicht, wird die
Rampengenerierung beendet und die Daten in dem Histogramm des Histogramm- Blocks 10 sind bereit für die Auswertung, wobei nach der Auswertung ein
entsprechende Wellenformausgabe 11 erfolgen kann.
Der Messzyklus wird neugestartet, indem der Rampenzähler 5 zurückgesetzt wird und das Histogramm des Histogramm-Block 10 mit„0“-Werten gefüllt wird.
Ein solcher Messzyklus, der mit dem AD-Wandler 1 erfolgen kann, wird nun auch unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, die oben eine Ausgabe 20 des TDC 7 des AD-Wandlers 1 veranschaulicht und unten ein TC-Histogramm (TC= time correlated, i.e. zeitkorreliert) 21 , wie es in dem Histogramm-Block 10 erzeugt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es sechs Rampenwerte, wobei die Ausgabe 20 des ersten TDC 7 auf der Ordinate Einträge für die sechs Rampenwerte hat und auf der Abszisse die Zeit abgebildet. Die Abtastung des analogen Eingangssignals durch den ersten TDC 7 ergibt zwölf Einträge für die Ausgabe 20.
Das TC-Histogramm 21 zeigt den Zustand nach einem vollständigen Messzyklus. Auch hier gibt es auf der Ordinate sechs Werte entsprechend den sechs
unterschiedlichen Rampenwerten und auf der Abszisse sind die Bins entsprechend der vergangenen Zeit seit dem Start„0“ angeordnet.
Die Bins des TC-Histogramms 21 werden jedes Mal mit dem Wert des
Rampensignals gefüllt, wenn das analoge Eingangssignal über dem Rampensignal ist, wohingegen die Bins zu der Zeit, bei der das analoge Eingangssignal unterhalb dem Rampensignal ist, unberührt bleiben. Der Verlauf des TC-Histogramms 21 entspricht dabei grob einer Sinus- oder Gaußkurve.
Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wird, kann die sequentielle Abtastung sensibel auf Zeitzittern („time jitter“) reagieren und bei manchen
Ausführungsbeispielen ist der Histogramm-Block 10 des AD-Wandlers 1 der Fig. 1 entsprechend eingerichtet, sodass die Zeitzitter-Leistung verbessert wird.
Der Zeitzitter-Effekt ist in Fig. 3 veranschaulicht, die oben eine Ausgabe 25 des ersten TDC 7 veranschaulicht und unten das resultierende TC-Histogramm 26, wie es in dem Histogramm-Block 10 unter dem Einfluss eines (nicht korrigierten)
Zeitzitterns entsteht.
Für einen Abtastwert„3“ der Ausgabe 25, wie bei Bezugszeichen 25a gezeigt, tritt ein negatives Abtast-Zeitzittern auf, welches dazu führt, dass der Abtastwert„3“ bei 25a zeitlich zu früh abgetastet wird und daher der Anfang und das Ende der zugehörigen TDC-Ausgangssignale um eine Zeitinstanz nach links (früher) verschoben sind.
Für einen Abtastwert„4“ der Ausgabe 25, wie bei Bezugszeichen 25b gezeigt, tritt ein positives Abtast-Zeitzittern auf, welches dazu führt, dass der Abtastwert„4“ bei 25b zeitlich zu spät abgetastet wird und daher der Anfang und das Ende der zugehörigen TDC-Ausgangssignale um eine Zeitinstanz nach rechts (später) verschoben sind. Durch das Vorgehen, dass in das TC-Histogramm 26 die Maximalwerte am Ende eingetragen sind, wird der Wert 26a im dritten Bin von dem Wert„1“ (siehe Fig. 2, dort hat der dritte Bin den Wert„1“) auf den Wert„3“ erhöht, wohingegen der Wert 26b im fünften Bin vom Wert„4“ (Fig. 2) auf den Wert 2 erniedrigt wird und der Wert 26c des drittletzten Bins wird vom Wert„1“ (Fig. 2) auf den Wert„4“ erhöht.
Vergleicht man den Verlauf des TC-Histoqramms 21 von Fig. 2 mit dem Verlauf des TC-Histogramms 26 von Fig. 3, so fällt auf, dass das TC-Histogramm 26 durch das Zeitzittern weniger einem Sinusverlauf ähnelt als das TC-Histogramm 21 von Fig. 2.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel erklärt, bei dem die Empfindlichkeit in Bezug auf das Zeitzittern verbessert ist, durch folgenden Maßnahmen, die der Histogramm-Block 10 des AD-Wandlers 1 vorsehen kann.
Es wird angenommen, dass ein Abtasten einer Zeitinstanz T bei einem Niveau N (Rampenschwellwert) vorgenommen wird, dann ist ein neuer Wert im TC- Histogramm(-speicher) bei der Zeitinstanz T gleich Fh(T,N).
Es wird nun die folgende Regel (1) vorgesehen:
Wenn (if) der vorherigen Histogrammwert Fh(T,N-1 ) = N-1 ist, dann setze
Fh(T,N) = N, andernfalls (eise) setze Fh(T,N) = Kombination(Fh(T,N-1 ),N).
Ferner galt für das Verfahren, welches unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wurde, dass die Werte maximal kombiniert wurden, das heißt Kombination(A,B)=B, mit anderen Worten, der Binwert ist immer auf den größten Wert gesetzt worden, was entsprechend anfällig für das Zeitzittern sein kann.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt hingegen eine Regel (2), nämlich
Kombination(A,B)=(A+B)/2, das heißt, der neue Wert entspricht dem Mittelwert aus den Werten A und B, was auch als„50% Kombinationsverfahren“ bezeichnet wird. Alternativ wird bei anderen Ausführungsbeispielen Kombination(A,B) = Trunkiert ((A+B)/2) vorgesehen, was einem Verschieben nach rechts um einen Bin entspricht, wobei der Bruchteil verworfen wird.
Weiter kann auch als alternatives Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass eine nicht-lineare Abbildungsfunktion verwendet wird, die von der Differenz zwischen B-A abhängt und dass darauf basierend die Histogrammwerte entsprechend korrigiert werden, um den Effekt des Zeitzitterns zu reduzieren.
Fig. 4 zeigt oben nochmals die Ausgabe 25 des ersten TDC 7 mit einem
entsprechenden Zeitzittern behaftet, wie es bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde.
Das resultierende TC-Histogramm 30, welches durch Anwenden der oben genannten Maßnahmen, nämlich die Regeln (1 ) und (2), zeigt die Fig. 4 unten, wobei hier der Effekt des Zeitzitterns verglichen zu dem TC-Histogramm 26 der Fig. 3 reduziert ist.
Der Abtastwert bei 30a (siehe Wert bei 26a in Fig. 3) ist von dem Wert„3“ (26a in Fig. 3) auf den Wert„2“ (30a in Fig. 4) reduziert (original ist„1“).
Der Abtastwert, der dem Wert bei 26b in Fig. 2 entspricht, bleibt beim Wert„3“, wird also nicht verändert (original ist„4“).
Der Abtastwert bei 30b wird von„4“ auf„3“ reduziert (original ist„4“).
Der Abtastwert bei 30c wird von„3.5“ (siehe 26c in Fig. 3) auf„2.5“ reduziert (original ist„1“).
Fig. 5 zeigt nun das Ergebnis der Anwendung der Regeln (1 ) und (2) (ganz rechts, TC-Histogramm 30) im Vergleich mit dem normalen (maximalen)
Kombinationsverfahren (Mitte, TC-Histogramm 26) bei vorhandenem Zeitzittern und ganz links ohne Zeitzittern (TC-Histogramm 21 ). Fig. 5 kann entnommen werden, dass das vorgeschlagene„50%
Kombinationsverfahren“ (Regel (2)) ein TC-Histogramm 30 erzeugt, welches dem originalen Verlauf des TC-Histogramms 21 ohne Zeitzittern näherkommt als die Anwendung des erläuterten Kombinationsverfahrens, bei dem einfach der maximale Wert genommen wird und welches bei Zeitzittern das in der Mitte der Fig. 5
dargestellte TC-Flistogramm 26 erzeugt.
Das in der Mitte der Fig. 5 dargestellte maximale Kombinationsverfahren tendiert dazu, die Form des Verlaufes des Histogramms aufzuweiten und größere Schritte bei den Werten zwischen den einzelnen Bins zu erzeugen, da es sowohl das Zeitzittern als auch die Form des Signals darstellt.
Das 50%-Kombinationsverfahren tendiert dazu, die Anstiegs- und Abfallzeit gemäß der Zeitzitter-Statistik zu vergrößern.
Fig. 6 veranschaulicht ein Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers 40, im Folgenden kurz AD-Wandler 40 genannt.
Grundsätzlich kann der AD-Wandler 40, wie auch oben ausgeführt, bei allen
Signalen Einsatz finden, die periodisch sind und sich wenigstens zweimal
wiederholen, ohne dass sie geändert werden und er entspricht im Wesentlichen dem AD-Wandler 1 , der oben im Detail beschrieben wurde.
In manchen Ausführungsbeispielen ist es wichtig, die steigende Signalflanke des Eingangssignals abzutasten. In einem LI DAR Messsystem ist es bspw. wichtig, die führende Signalflanke des optischen Lasers abzutasten.
Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Voraktivierungssignal vorgesehen, um die AD-Umwandlung zu initialisieren, bevor das analoge (Eingangs-)Signal umgewandelt wird. Dieses Voraktivierungssignal wird bspw. 3 ns vor dem Startsignal gesendet, ohne die vorliegende Erfindung auf dieses Beispiel zu beschränken. Der AD-Wandler 40 hat einen analogen Eingang 41 , an dem das zu wandelnde analoge Signal eingegeben wird und er hat einen Startsignaleingang 51 , an dem ein periodisches Startsignal bzw. Pulssignal anliegt, welches bspw. von einem
Pulsgenerator stammt und auch für die Erzeugung von Lichtpulsen für das LIDAR Messsystem verwendet wird.
Darüberhinaus hat der AD-Wandler 40 einen Voraktivierungssignaleingang 42, an dem ein Voraktivierungssignal anliegt, welches, wie erwähnt, bspw. 3 ns vor dem Startsignal gesendet wird.
Ferner hat der AD-Wandler 40 einen Komparator 43, um das analoge Signal, welches an dem analogen Eingang 41 empfangen wird, mit einem analogen
Rampensignal zu vergleichen.
Das analoge Rampensignal hat die Form eines steigenden Sägezahns in diesem Ausführungsbeispiel, startet bei ungefähr null Volt und steigt bis zu einem
vorgegebenen Maximalwert an. Hier basiert die Steigdauer des Rampensignals auf einem festen Vielfachen der Pulsgeneratorfrequenz und ist bspw.
framp = 1/128*fpulse, um mit einer effektiven Auflösung von 7 Bits abzutasten, wobei „framp“ die Frequenz des Rampensignals ist und„fpulse“ die Frequenz des
Pulssignals, welches über den Voraktivierungssignaleingang 42 empfangen wird.
Das Rampensignal wird über einen Rampenzähler 44 generiert, der mit einem
Digital-Analog-Wandler 45 (DA-Wandler im Folgenden genannt) gekoppelt ist.
Der Rampenzähler 44 erhöht mit jedem empfangenen Voraktivierungssignal, der über den Voraktivierungssignaleingang 42 empfangen wird, seinen Zähler um eins. Der erhaltenen binäre Wert wird an den DA-Wandler 45 geliefert, der aus dem binären Wert ein entsprechendes Rampensignal generiert, welches folglich auch mit steigenden binären Wert eine höhere Rampenspannung bzw. einen höheren
Rampenschwellwert hat. Der Ausgang des Komparators 43 ist einerseits (direkt) mit einem ersten TDC 46 gekoppelt und andererseits (indirekt) mit einem zweiten TDC 47 gekoppelt, wobei das Komparatorsignal zuvor durch einen Inverter 48 läuft, der das Komparatorsignal invertiert und dann an den zweiten TDC 47 liefert.
Das Voraktivierungssignal wird ebenfalls vom Voraktivierungssignaleingang 42 an den ersten TDC 46 und an den zweiten TDC 47 geliefert, sodass das
Voraktivierungssignal eine Abtastung initialisiert.
Der erste TDC 46 misst die Zeitinstanzen (oder Zeitintervalle), wenn das vom analogen Eingang 41 stammende analoge Eingangssignal über das Rampensignal hinaussteigt, dieses also nach oben kreuzt, bezüglich des Voraktivierungssignals, welches vom Voraktivierungssignaleingang empfangen wird.
Der zweite TDC 47 empfängt das invertierte Komparatorsignal und misst die
Zeitinstanzen (oder Zeitintervalle), wenn das vom analogen Eingang 41 stammende analoge Eingangssignal unter das Rampensignal fällt, dieses also nach unten kreuzt, bezüglich des Voraktivierungssignals, welches vom Voraktivierungssignaleingang 42 empfangen wird.
Der erste 46 und der zweite TDC 47 geben ihre Messergebnisse (Ausgaben) jeweils an einen Synchronisator 50 aus, welcher die Ausgaben der TDCs 46 und 47 mit dem Startsignal 51 synchronisiert.
Für jeden Messzyklus bestimmt der Synchronisator 50 den zeitlichen Abstand zwischen dem Voraktivierungssignal und dem Startsignal mittels
t_diff(SC) = t_Start - t_Voraktivierung, wobei t_d iff(SC) der zeitliche Abstand zwischen Startsignal und Voraktivierungssignal gemessen am Synchronisator 50, t_Start der Zeitpunkt des Startsignals und t_Voraktivierung der Zeitpunkt des
Voraktivierungssignals ist.
Die Zeitpunkte t Start und t_Voraktivierung werden mittels der Zeit t_nominal bestimmt, welche mindestens so groß ist wie der maximal gemessene zeitliche Abstand des Startsignals und des Voraktivierungssignals, d.h. tjiominal > max(t_diff(SC)). Der Wert t_nominal wird als konstanter Zeitwert in jedem
Messzyklus in dem Histrogramm-Block 49 gespeichert
Der Synchronisator 50 synchronisiert die Messwerte eines jeden Messzyklus, indem ein konstanter Zeitwert t_offset(SC) = tjiominal - t diff(SC) zu den Ausgaben der TDCs 46 und 47 addiert wird.
Dieser Messvorgang geht solange, bis der Rampenzähler 44 einen vorgegeben Wert erreicht und das zeitkorrelierte und im Histogramm-Block 49 vorliegende
Messerergebnis im Histogramm-Block 49 ausgewertet werden kann.
Der Rampenzähler 44 gibt auch einen digitalen Zählerwert, der dem
Rampenschwellwert entspricht, an den Histogramm-Block 49 aus, wobei am Anfang der Rampenschwellwert niedrig ist und im Verlauf ansteigt.
Bei Beginn eines jeden Messzyklus sind alle Histogrammwerte im Histogramm-Block 49 mit einer„0“ initialisiert.
Die Zeitintervalle, bei denen das analoge Eingangssignal über dem Rampensignal ist, werden in dem Histogramm des Histogramm-Blocks 49 gespeichert, wobei alle Messungen mit einer unterschiedlichen Rampenspannung an dem Zeitpunkt„0“ ausgerichtet sind, der durch das Voraktivierungssignal festgelegt ist.
Immer wenn das analoge Eingangssignal das Rampensignal überschreitet, wird der zughörige Bereich von Bins des Histogramms mit dem aktuellen Zählerwert des Rampenzählers 5 gefüllt, wobei kleinere Werte mit größeren Werten bei
aufeinanderfolgenden Zyklen überschrieben werden, wenn das analoge
Eingangssignal über dem Rampensignal ist.
Wie erwähnt, wenn der Rampenzähler 44 den Maximalwert erreicht, wird die
Rampengenerierung beendet und die Daten in dem Histogramm des Histogramm- Blocks 49 sind bereit für die Auswertung, wobei nach der Auswertung ein entsprechende Wellenformausgabe 52 erfolgen kann.
Der Messzyklus wird neugestartet, indem der Rampenzähler 44 zurückgesetzt wird und das Histogramm des Histogramm-Block 49 mit„0“-Werten gefüllt wird.
Bezuqszeichen Analog-Digital-Wandler
Analoger Eingang
Startsignaleingang
Komparator
Rampenzähler
DA-Wandler
Erster TDC
Zweiter TDC
Inverter
Histogramm-Block
Wellenformausgabe
Ausgabe des ersten TDC 7
TC-Histogramm
Ausgabe des ersten TDC 7 mit Zeitzittern TC-Histogramm
TC-Histogramm
Analog-Digital-Wandler
Analoger Eingang
Voraktivierungssignaleingang
Komparator
Rampenzähler
Digital-Analog-Wandler 45
Erster TDC
Zweiter TDC
Inverter
Histogramm-Block
Synchronisator
Startsignaleingang
Wellenformausgabe

Claims

Patentansprüche
1. Analog-Digital-Wandler (1 ), umfassend:
einen analogen Eingang zum Empfangen eines analogen Signals;
einen ersten Zeit-Digital-Wandler (7); und
einen Histogramm-Block (10), wobei der erste Zeit-Digital-Wandler (7) das analoge Signal basierend auf einem Rampensignal abtastet und eine Ausgabe (20, 25) an den Histogramm-Block (10) liefert, der darauf basierend ein zeitkorreliertes
Histogramm (21 , 26, 30) erstellt.
2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 , wobei der Histogramm-Block (10) dazu eingerichtet ist, das zeitkorrelierte Histogramm (21 , 26, 30) zu korrigieren, um den Effekt eines Zeitzitterns zu verringern.
3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, wobei der Effekt des Zeitzitterns zu zeitverschobenen Werten in der Ausgabe (25) des ersten Zeit-Digital-Wandlers (7) führt.
4. Analog-Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Histogramm-Block (10) Werte aus verschiedenen Ausgaben (20, 25) kombiniert.
5. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, wobei die Werte so kombiniert werden, dass der maximale Wert einer Ausgabe in das zeitkorrelierte Histogramm (21 , 26, 30) gefüllt wird.
6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, wobei die Werte so kombiniert werden, dass ein Durchschnittswert in das zeitkorrelierte Histogramm (21 , 26, 30) gefüllt wird.
7. Analog-Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Werte auf Grundlage einer Funktion kombiniert werden.
8. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 7, wobei die Funktion nicht-linear ist.
9. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 8, wobei die Funktion von der
Differenz der Werte abhängt.
10. Analog-Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei Werte in dem zeitkorrelierten Histogramm (21 , 26, 30) um wenigstens eine Zeitinstanz verschoben werden.
11. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Startsignaleingang (3) umfassend zum Empfangen eines periodischen
Startsignals.
12. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 11 , weiter einen Rampenzähler (5) der basieren auf dem periodischen Startsignal einen Zählerwert generiert.
13. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 12, weiter einen Digital-Analog- Wandler (6) umfassend, der basierend auf dem Zählerwert das Rampensignal generiert.
14. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Komparator (4) umfassend, der das Rampensignal und das analoge Signal vergleicht und ein Komparatorsignal an den ersten Zeit-Digital-Wandler (7) ausgibt.
15. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen zweiten Zeit-Digital-Wandler (8) umfassend, wobei der erste Zeit-Digital- Wandler (7) Zeitintervalle erfasst, bei denen das analoge Signal oberhalb des Rampensignals ist und der zweite Zeit-Digital-Wandler (8) Zeitintervalle erfasst, bei denen das analoge Signal unterhalb des Rampensignal ist.
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DE102018220688.0A DE102018220688A1 (de) 2018-11-30 2018-11-30 Analog-Digital-Wandler
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DE (1) DE102018220688A1 (de)
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