CN110764395A - 一种应用于spad探测器的环形时间数字转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,采用缓冲器做延时环,整个延时环的延时周期为一级粗计数,由计数器记录其周期数;采用一系列D触发器,每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出,D触发器的时钟信号输入端接stop信号,输出端接编码器,所述系列D触发器为二级细计数,编码器输出细计数时间对应的数字信号。所述一级粗计数与二级细计数共同作用,将时间信息转化为数字信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,即TDC电路,属于集成电路领域。
背景技术
时间数字转化器是一种将模拟时间量转换为数字信号的转换电路,用于测量时间间隔。随着光子飞行时间(Time of Flight,TOF)技术在激光测距领域中的兴起,时间数字转换器变得日益重要,逐渐成为一项关键技术。时间数字转化器的分辨率,直接决定了激光测距的测距精度。而高精度的测距要求在很多应用中都是必不可少的,比如在航天器的对接应用中,测距精度要求达到毫米量级,对应的时间间隔精度要求达到几个皮秒级别。另一方面,时间数字转化器的量程也非常重要,其直接决定了测距的最大距离范围。
单光子雪崩二极管(Single photon avalanche diode,SPAD)具有光子级探测灵敏度,在激光测距应用中有独特的优势。一个SPAD单管作为单点测距的探测器,需要集成一个时间数字转换电路,这就要求时间数字转化器的版图占用面积不能过大。
目前,已有技术中,传统的模数转换器电路结构复杂,转换速度和转换精度都不高;已有的时间数字转换电路技术,电路结构设计也不够精简,版图占用面积大,尤其是量程要求较大的时间数字转换电路,其版图面积会成倍扩大。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供了一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,电路结构较为简单,采用环形结构有效克服版图面积过大问题。
技术方案:为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,采用缓冲器做延时环,整个延时环的延时周期为一级粗计数,由计数器记录其周期数;采用一系列D触发器,每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出,D触发器的时钟信号输入端接stop信号,输出端接编码器,所述系列D触发器为二级细计数,编码器输出细计数时间对应的数字信号。start信号通过多路复用电路输入延时环,延时环最后一级缓冲器将信号输入到多路复用器,使信号再次进入延时环,实现延时环首尾连接。所述一级粗计数与二级细计数共同作用,将时间信息转化为数字信息。
工作时,SPAD首先输出一个start信号,该信号经过多路复用器输入到延时环中,经过一个周期的延时后,信号由最后一级缓冲器反馈到多路复用器,形成首尾连接的延时环;每延时一个周期,最后一级的缓冲器同时将信号传输给计数器,记录周期数。当SPAD产生stop信号时,stop信号同时输入到所有D触发器的时钟输入端,将延时环对应的D触发器的当前状态记录,并将当前状态输出给编码器。通过编码器和计数器记录的数字信号数据,可以计算得到start信号与stop信号间的时间信息。
有益效果:本发明提供的一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,相对于现有技术,具有如下优势:1、电路结构简单,尤其适合与SPAD探测器片上集成,2、采用延时环结构,引入粗计数与细计数共同作用模式,可以在减小版图占用面积的同时,保证时间数字转换电路的量程。
附图说明
图1为本发明提供的环形时间数字转换电路的结构示意图;
图2为本发明提供的环形时间数字转换电路的工作时序图示例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示是本发明提供的环形时间数字转换电路的结构示意图,采用缓冲器做延时环,整个延时环的延时周期为一级粗计数,由计数器记录其周期数;采用一系列D触发器,每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出,D触发器的时钟信号输入端接stop信号,输出端接编码器,所述系列D触发器为二级细计数,编码器输出细计数时间对应的数字信号。start信号通过多路复用电路输入延时环,延时环最后一级缓冲器将信号输入到多路复用器,使信号再次进入延时环,实现延时环首尾连接。所述一级粗计数与二级细计数共同作用,将时间信息转化为数字信息。
工作时,SPAD首先输出一个start信号,该信号经过多路复用器输入到延时环中,经过一个周期的延时后,信号由最后一级缓冲器反馈到多路复用器,形成首尾连接的延时环;每延时一个周期,最后一级的缓冲器同时将信号传输给计数器,记录周期数。当SPAD产生stop信号时,stop信号同时输入到所有D触发器的时钟输入端,将延时环对应的D触发器的当前状态记录,并将当前状态输出给编码器。通过编码器和计数器记录的数字信号数据,可以计算得到start信号与stop信号间的时间信息。
如图2所示是本发明提供的环形时间数字转换电路的工作时序图示例,上面是由SPAD探测器输出的、接入多路复用器的start信号,下面是由SPAD探测器输出的、接入stop端的stop信号。图中,Δt是整个延时环延时一圈的时间周期,Δt1是单个缓冲器的延时时间,图中示例Δt等于5个Δt1表示有五个缓冲器,但本发明不限制缓冲器个数为5。延迟环每延迟一圈最后一级缓冲器触发计数器值加1,故计数器值N表示粗计数个数,即Δt的个数。编码器将所有D触发器的输出Q值作编码输出,Q值是stop信号到来时锁存住的延时环中每个缓冲器的状态,通过输出的Q值可以计算细计数的个数NQ。可以得到,粗计数时间为N*Δt,细计数时间为NQ*Δt1,两者时间和N*Δt + NQ*Δt1即为start信号与stop信号之间的时间间隔。
Claims (3)
1.一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,其特征在于:采用缓冲器做延时环,整个延时环的延时周期为一级粗计数,由计数器记录其周期数;采用一系列D触发器,每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出,D触发器的时钟信号输入端接stop信号,输出端接编码器,所述系列D触发器为二级细计数,编码器输出细计数时间对应的数字信号。
2.根据权利要求1所述的应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,其特征还在于:start信号通过多路复用电路输入延时环,延时环最后一级缓冲器将信号输入到多路复用器,使信号再次进入延时环,实现延时环首尾连接。
3.根据权利要求1、2所述的应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路,其特征还在于:所述一级粗计数与二级细计数共同作用,将时间信息转化为数字信息。
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