CN110888119B - 一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，包括窗口产生模块、阈值计数模块和复位控制模块，窗口产生模块的输入端和阈值计数模块的输入端接收光子信号，阈值计数模块的输出端连接窗口产生模块的控制信号输入端，窗口产生模块的输出端连接复位控制模块的输入端，复位控制模块输出端分别连接窗口产生模块的复位端和阈值计数模块的复位端；窗口产生模块根据光子信号和控制信号输出STOP信号；阈值计数模块对光子信号进行计数，并与设定的阈值比较判断得到控制信号；复位控制模块根据STOP信号产生复位信号，使电路进行复位操作。本发明的电路，能够有效的减少由于背景光和暗计数产生的误触发信号。

Description

一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路。
背景技术
单光子检测是近年来发展起来的一项新兴的探测技术，它可以应用于生物芯片检测、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、国防军事、光谱测量、量子电子学等领域，并在其中扮演着重要角色，单光子探测器在一些新兴高科技领域内的重要工程价值，已得到越来越充分的体现。
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)和时间数字转换器(Time to Digital Convert，TDC)作为激光雷达(LIDAR)的重要组成模块，在激光雷达探测技术领域中不可或缺。TDC电路具有高距离分辨率的优点，可以将时间间隔信息转换成数字量输出，实现高精度时间间隔的测量。SPAD具有高增益和高的信噪比，单个光子就可触发雪崩，产生雪崩电流，可得到极大的光生电流增益。基于半导体雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器由于暗(背景)噪声的影响，通常恒定工作在偏置电压低于反向击穿电压下，即所谓线性模式的雪崩光电二极管，其仅有较小雪崩增益，不具有单光子探测能力。而工作在偏置电压高于反向击穿电压的过偏压下，即所谓盖革模式的雪崩光电二极管，过偏压使其雪崩倍增区形成强电场，当单个光子入射产生的载流子进入雪崩倍增区时，会以一定的概率触发雪崩倍增(增益>106)，使单光子电流在皮秒时间量级上升至较易检测的大电流(毫安量级)，具有单光子探测性能，在这种工作模式下能实现单光子探测的雪崩光电二极管被称为单光子雪崩二极管(SPAD)。
因为半导体雪崩击穿具有自持行为特性，当SPAD长时间处于雪崩状态时其工作性能和可靠性将会受到损害，需要动态偏置和快速淬灭电路，使得在SPAD雪崩发生后能够迅速地使雪崩电流淬灭并把SPAD恢复到等待探测状态，控制过程较为复杂，而且具有暗计数的缺点。因此，设计一种降低暗计数缺点的有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路具有重要的意义和应用前景。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数模块。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，包括窗口产生模块、阈值计数模块和复位控制模块，其中，
所述窗口产生模块的输入端和所述阈值计数模块的输入端接收光子信号，所述阈值计数模块的输出端连接所述窗口产生模块的控制信号输入端，所述窗口产生模块的输出端连接所述复位控制模块的输入端，所述复位控制模块输出端分别连接所述窗口产生模块的复位端和所述阈值计数模块的复位端；
所述窗口产生模块用于根据所述光子信号和控制信号输出STOP信号；
所述阈值计数模块用于对所述光子信号进行计数，并与设定的阈值进行比较判断得到所述控制信号；
所述复位控制模块根据所述STOP信号产生复位信号，所述窗口产生模块和所述阈值计数模块根据所述复位信号进行复位操作。
在本发明的一个实施例中，所述窗口产生模块包括第一D触发器、延迟单元、第二D触发器、传输门和第一反相器，其中，
所述第一D触发器的输入端连接电压端，时钟端接收所述光子信号，输出端连接所述延迟单元的输入端；
所述延迟单元用于调节输入信号的电压以控制其输出信号的上升沿与所述输入信号的上升沿之间的延迟；
所述第二D触发器的输入端连接所述电压端，时钟连接所述延迟单元的输出端，输出端连接所述传输门的输入端；
所述传输门用于根据接收的所述控制信号开启或闭合，输出端连接所述复位控制模块的输入端；
所述第一反相器的输入端连接所述第二D触发器的输出端，输出端分别连接所述第一D触发器的复位端和所述第二D触发器的复位端。
在本发明的一个实施例中，所述阈值计数模块包括依次连接的计数器单元、阈值逻辑产生单元、选择电路单元和第三D触发器，其中，
所述计数器单元用于对接收的所述光子信号进行计数，并将计数结果传输至所述阈值逻辑产生单元；
所述阈值逻辑产生单元用于将所述计数结果与设定的阈值进行比较判断，并输出判断结果；
选择电路单元用于根据所述判断结果和接收的选择信号输出选择结果；
所述第三D触发器的输入端连接所述电压端，时钟端连接所述选择电路单元的输出端，输出端连接所述传输门的控制信号输入端。
在本发明的一个实施例中，所述复位控制模块包括第四D触发器、第二反相器、第三反相器、NMOS管、与门、第一或非门和第二或非门，其中，
所述第四D触发器的输入端连接所述电压端，时钟端连接所述传输门的输出端，输出端连接所述与门的第一输入端，反向输出端连接所述第一或非门的第一输入端；
所述第二反相器的输入端接收START信号，输出端分别连接所述第三D触发器的复位端，所述第四D触发器的复位端以及所述第三反相器的输入端；
所述NMOS管的栅极连接所述第三反相器的输出端，漏极连接所述传输门的输出端，源极连接接地端；
所述与门的第二输入端接收所述光子信号，输出端分别连接所述第一D触发器的时钟端和所述计数器单元的时钟端；
所述第一或非门的第二输入端连接所述第一反相器的输出端，输出端连接所述第二或非门的第一输入端；
所述第二或非门的第二输入端接收所述START信号，输出端连接所述计数器单元的复位端。
在本发明的一个实施例中，所述计数器单元为三位移位计数器。
在本发明的一个实施例中，所述阈值逻辑产生单元的阈值设置为3。
在本发明的一个实施例中，所述选择电路单元为四选一数据选择器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，设置有窗口产生模块和阈值计数模块，阈值计数模块通过对光子信号的计数产生相应的阈值，若光子信号数量达到设置的阈值，则窗口产生模块输出STOP信号，由于极短时间内的激光回波信号的光子数目远远多于周围环境的光子数目，因此，通过这种短时计数的方法确定激光回波信号，能够有效的减少由于背景光和暗计数产生的误触发信号。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路的模块示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路的具体电路图；
图3是本发明实施例提供的一种阈值逻辑产生单元的电路图；
图4是本发明实施例提供的一种时序图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路的模块示意图，如图所示，本实施例的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，包括窗口产生模块1、阈值计数模块2和复位控制模块3，其中，窗口产生模块1的输入端和阈值计数模块2的输入端接收光子信号IN，阈值计数模块2的输出端连接窗口产生模块1的控制信号输入端，窗口产生模块1的输出端连接复位控制模块3的输入端，复位控制模块3输出端分别连接窗口产生模块1的复位端和阈值计数模块2的复位端；窗口产生模块1用于根据光子信号IN和控制信号SW输出STOP信号；阈值计数模块2用于对光子信号IN进行计数，并与设定的阈值进行比较判断得到控制信号SW；复位控制模块3根据所述STOP信号产生复位信号，窗口产生模块1和阈值计数模块2根据所述复位信号进行复位操作。
在本实施例中，光子信号IN包括激光回波信号和环境光信号，是由前续连接的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)产生的，窗口产生模块1用于根据光子信号IN产生第一窗口信号WIN1和第二窗口信号WIN2，第二窗口信号WIN2的上升沿与第一窗口信号WIN1的上升沿之间存在延迟，阈值计数模块2在第一窗口信号WIN1的上升沿和第二窗口信号WIN2的上升沿之间的时间段内对光子信号IN进行计数，并与设定的阈值进行比较判断得到控制信号SW，若光子信号IN的数量达到设置的阈值，那么，窗口产生模块1输出第二窗口信号WIN2作为所述STOP信号。当所述STOP信号输出至后续连接的TDC部分后，复位控制模块3根据所述STOP信号产生复位信号，窗口产生模块1和阈值计数模块2根据所述复位信号进行复位操作，之后进行下一次工作。由于极短时间内的激光回波信号的光子数目远远多于周围的环境光信号的光子数目，因此，通过这种短时计数的方法确定激光回波信号，能够有效的减少由于背景光和暗计数产生的误触发信号。
实施例二
本实施例是对实施例一的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路进行具体的电路说明。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路的具体电路图，如图所示，窗口产生模块1包括第一D触发器D1、延迟单元101、第二D触发器D2、传输门TG和第一反相器I1。其中，第一D触发器D1的输入端连接电压端VDD，时钟端接收光子信号IN，输出端连接延迟单元101的输入端，第一D触发器D1输出第一窗口信号WIN1。延迟单元101用于调节输入信号的电压以控制其输出信号的上升沿与所述输入信号的上升沿之间的延迟，在本实施例中，延迟单元101可以是由逆变器和反相器组成的电压控制的延迟电路，本领域技术人员可以根据其作用搭建电路，对其具体电路结构不做限制。第二D触发器D2的输入端连接电压端VDD，时钟连接延迟单元101的输出端，输出端连接传输门TG的输入端，第二D触发器D2输出第二窗口信号WIN2，由于设置的延迟单元101，第二窗口信号WIN2的上升沿与第一窗口信号WIN1的上升沿之间存在延迟。传输门TG用于根据接收的控制信号SW开启或闭合，输出端连接复位控制模块3的输入端，在本实施例中，传输门TG是由一个PMOS管和一个NMOS管并联构成的，其具体结构不再赘述，传输门TG根据控制信号端输入的信号开启或闭合，接收的控制信号为一对互补控制信号。第一反相器I1的输入端连接第二D触发器D2的输出端，输出端分别连接第一D触发器D1的复位端和第二D触发器D2的复位端，第一D触发器D1和第二D触发器D2根据接收的第一反相器I1的输出信号进行复位操作，以实现第一D触发器D1和第二D触发器D2的自复位。
进一步地，阈值计数模块2包括依次连接的计数器单元201、阈值逻辑产生单元202、选择电路单元203和第三D触发器D3。其中，计数器单元201用于对接收的光子信号IN进行计数，并将计数结果传输至阈值逻辑产生单元202，在本实施例中，计数器单元201为三位移位计数器，由3个处于计数工作状态的触发器组成，输出结果记为D0,D1,D2(000-111)最多计数7个光子数目，本领域技术人员可以根据计数方式，触发器的触发方式搭建电路，对其具体电路结构不做限制。阈值逻辑产生单元202用于将计数结果与设定的阈值进行比较判断，并输出判断结果，在本实施例中，阈值逻辑产生单元202由门电路组成，阈值设置为3，具体电路结构参见图3，如图所示，阈值逻辑产生单元202根据输入的计数结果D0,D1,D2，输出判断结果T1,T2,T3,T4。选择电路单元203用于根据判断结果和接收的选择信号(S1，S2)输出选择结果，在本实施例中，选择电路单元203为四选一数据选择器，选择电路单元203根据选择信号(S1，S2)，从T1,T2,T3,T4这四个输入数据中选出一个并输出。第三D触发器D3的输入端连接电压端VDD，时钟端连接选择电路单元203的输出端，输出端连接传输门TG的控制信号输入端，具体地，第三D触发器D3的输出端和反向输出端输出一对互补控制信号作为控制信号SW至传输门TG的控制信号输入端，以控制传输门TG的开启或闭合。
进一步地，复位控制模块3(图中虚线框之外的部分)包括第四D触发器D4、第二反相器I2、第三反相器I3、NMOS管N1、与门U1、第一或非门U2和第二或非门U3。其中，第四D触发器D4的输入端连接电压端VDD，时钟端连接传输门TG的输出端，输出端连接与门U1的第一输入端，反向输出端连接第一或非门U2的第一输入端；第二反相器I2的输入端接收START信号，输出端分别连接第三D触发器D3的复位端，第四D触发器D4的复位端以及第三反相器I3的输入端；NMOS管N1的栅极连接第三反相器I3的输出端，漏极连接传输门TG的输出端，源极连接接地端GND；与门U1的第二输入端输入光子信号IN，输出端分别连接第一D触发器D1的时钟端和计数器单元201的时钟端；第一或非门U2的第二输入端连接第一反相器I1的输出端，输出端连接第二或非门U3的第一输入端；第二或非门U3的第二输入端接收所述START信号，输出端连接计数器单元201的复位端。在本实施例中，所述START信号为周期性激光脉冲信号。
实施例三
本实施例是对实施例二中的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路的工作原理进行说明。请结合参图3和参见图4，图4是本发明实施例提供的一种时序图，如图所示。SPAD产生的光子信号IN和第四D触发器D4的输出端输出的CK_R信号通过与门U1连接第一D触发器D1时钟端和计数器单元201的时钟端，当第一D触发器D1被触发，第一D触发器D1输出的第一窗口信号WIN1会迎来一个上述沿，被置于高电位，通过延迟单元101传输至第二D触发器D2，第二D触发器D2输出的第二窗口信号WIN2也会被置于高电位，同时由于延迟单元101，第二窗口信号WIN2的上升沿与第一窗口信号WIN1的上升沿之间存在延迟。第二窗口信号WIN2若被置于高电位，第一反相器I1产生的低电位RST作为一个局部复位信号传入第一D触发器D1的复位端和第二D触发器D2的复位端，使第一窗口信号WIN1和第二窗口信号WIN2降至低电位，如此便产生如图4所示的两个窗口信号(WIN1,WIN2)。
计数器单元201对第一窗口信号WIN1的上升沿和第二窗口信号WIN2的上升沿之间的时间段的光子信号IN进行计数，在本实施例中，计数器单元201输出结果记为D0,D1,D2(000-111)，最多计数7个光子数目，如图4所示，在第一个计数时间段内计数的光子信号IN的光子数目为2，计数器单元201的输出结果为“010”，则没有达到阈值逻辑产生单元202设置的阈值3，阈值逻辑产生单元202输出判断结果“0010”，选择电路单元203根据所述判断结果和接收的选择信号(S1,S2)输出一个低电平，第三D触发器D3未被触发，传输门TG闭合，不进行信号传输，继续进行下一次计数；在第二个计数时间段内计数的光子信号IN的光子数目为3，计数器单元201的输出结果为“011”，光子数目达到阈值3，阈值逻辑产生单元202输出判断结果“0100”，选择电路单元203根据所述判断结果和接收的选择信号(S1,S2)输出一个高电平，第三D触发器D3被触发，传输门TG开启，第二窗口信号WIN2作为所述STOP信号传输至后续连接的TDC部分。
在传输门TG开启后，与之相连的第四D触发器D4被触发，输出一对互非的信号CK_R信号和CK_RN信号，其中CK_R信号置于低电平，此时，与门U1输出一个低电平信号，使得窗口产生模块1在电路复位之前停止工作。CK_RN信号置于高电平，通过与RST信号和所述START信号的或非逻辑之后，产生RSTC信号为低电平，使得计数器单元201在电路复位之前停止工作。
在所述STOP信号输出至后续连接的TDC部分后，全局复位信号RST_S置为高电平，NMOS管N1工作，第二窗口信号WIN2(STOP信号)传输至接地端GND，电路被复位开始下一次工作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，包括窗口产生模块(1)、阈值计数模块(2)和复位控制模块(3)，其中，
所述窗口产生模块(1)的输入端和所述阈值计数模块(2)的输入端接收光子信号(IN)，所述阈值计数模块(2)的输出端连接所述窗口产生模块(1)的控制信号输入端，所述窗口产生模块(1)的输出端连接所述复位控制模块(3)的输入端，所述复位控制模块(3)输出端分别连接所述窗口产生模块(1)的复位端和所述阈值计数模块(2)的复位端；
所述窗口产生模块(1)用于根据所述光子信号(IN)和控制信号(SW)输出STOP信号；
所述阈值计数模块(2)用于对所述光子信号(IN)进行计数，并与设定的阈值进行比较判断得到所述控制信号(SW)；
所述复位控制模块(3)根据所述STOP信号产生复位信号，所述窗口产生模块(1)和所述阈值计数模块(2)根据所述复位信号进行复位操作。
2.根据权利要求1所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述窗口产生模块(1)包括第一D触发器(D1)、延迟单元(101)、第二D触发器(D2)、传输门(TG)和第一反相器(I1)，其中，
所述第一D触发器(D1)的输入端连接电压端(VDD)，时钟端接收所述光子信号(IN)，输出端连接所述延迟单元(101)的输入端；
所述延迟单元(101)用于调节输入信号的电压以控制其输出信号的上升沿与所述输入信号的上升沿之间的延迟；
所述第二D触发器(D2)的输入端连接所述电压端(VDD)，时钟连接所述延迟单元(101)的输出端，输出端连接所述传输门(TG)的输入端；
所述传输门(TG)用于根据接收的所述控制信号(SW)开启或闭合，输出端连接所述复位控制模块(3)的输入端；
所述第一反相器(I1)的输入端连接所述第二D触发器(D2)的输出端，输出端分别连接所述第一D触发器(D1)的复位端和所述第二D触发器(D2)的复位端。
3.根据权利要求2所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述阈值计数模块(2)包括依次连接的计数器单元(201)、阈值逻辑产生单元(202)、选择电路单元(203)和第三D触发器(D3)，其中，
所述计数器单元(201)用于对接收的所述光子信号(IN)进行计数，并将计数结果传输至所述阈值逻辑产生单元(202)；
所述阈值逻辑产生单元(202)用于将所述计数结果与设定的阈值进行比较判断，并输出判断结果；
选择电路单元(203)用于根据所述判断结果和接收的选择信号输出选择结果；
所述第三D触发器(D3)的输入端连接所述电压端(VDD)，时钟端连接所述选择电路单元(203)的输出端，输出端连接所述传输门(TG)的控制信号输入端。
4.根据权利要求3所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述复位控制模块(3)包括第四D触发器(D4)、第二反相器(I2)、第三反相器(I3)、NMOS管(N1)、与门(U1)、第一或非门(U2)和第二或非门(U3)，其中，
所述第四D触发器(D4)的输入端连接所述电压端(VDD)，时钟端连接所述传输门(TG)的输出端，输出端连接所述与门(U1)的第一输入端，反向输出端连接所述第一或非门(U2)的第一输入端；
所述第二反相器(I2)的输入端接收START信号，输出端分别连接所述第三D触发器(D3)的复位端，所述第四D触发器(D4)的复位端以及所述第三反相器(I3)的输入端；
所述NMOS管(N1)的栅极连接所述第三反相器(I3)的输出端，漏极连接所述传输门(TG)的输出端，源极连接接地端(GND)；
所述与门(U1)的第二输入端接收所述光子信号(IN)，输出端分别连接所述第一D触发器(D1)的时钟端和所述计数器单元(201)的时钟端；
所述第一或非门(U2)的第二输入端连接所述第一反相器(I1)的输出端，输出端连接所述第二或非门(U3)的第一输入端；
所述第二或非门(U3)的第二输入端接收所述START信号，输出端连接所述计数器单元(201)的复位端。
5.根据权利要求3所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述计数器单元(201)为三位移位计数器。
6.根据权利要求3所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述阈值逻辑产生单元(202)的阈值设置为3。
7.根据权利要求3所述的具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路，其特征在于，所述选择电路单元(203)为四选一数据选择器。
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基于APD线列的单光子探测计数研究;张常年等;《计算机测量与控制》;20160925(第09期);全文 *

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