CN114026395B

CN114026395B - 光至频率传感器的保持操作

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Publication number: CN114026395B
Application number: CN202080047058.5A
Authority: CN
Inventors: R.K.阿杜苏马利
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2024-07-19
Anticipated expiration: 2040-07-15
Also published as: EP4000250A1; US20220307899A1; WO2021009228A1; CN114026395A

Abstract

用于光至频率传感器转换的方法、系统和装置，包括编码在计算机存储介质上的计算机程序。在一些实施方式中，从光信号生成第一输出波形，第一输出波形的频率基于光信号的强度，包括在多个时钟周期内对光信号进行积分。响应于接收到通知，执行保持操作以在时间周期内停止光信号进行积分。响应于保持操作的结束，生成第二输出波形，该第二输出波形包括将光信号的强度从保持操作的结束开始在多个时钟周期的计数上进行积分，该多个时钟周期在保持操作的结束之后经过延迟量之后开始。对第一输出波形和第二输出波形求和以确定光信号的强度。

Description

光至频率传感器的保持操作

技术领域

本说明书总地涉及光至频率处理。

发明内容

在一些实施方式中，光至频率传感器将光转换成数字输出波形，用于测量光的亮度。数字输出波形可以包括例如脉冲流，脉冲流的频率与光的强度成正比。数字输出波形可以提供给现代消费电子产品，例如智能电话、电视和个人数字助理。

光至频率传感器可用于与光测量相关的各种应用中，例如测量环境光、测量光吸收/反射、颜色感测、测量暗室环境中的光以及测量非暗室环境中的光。在这些应用中的每一个应用中，光至频率传感器一次处理来自一个或多个特定光源的光。然而，在一些情况下，来自特定光源的光可能被背景光或来自一个或多个其他光源的发射光所遮盖，这可能对来自特定光源的光的强度的测量产生负面影响。为了抵消这种负面影响，光至频率传感器可以执行保持操作，以延迟处理来自特定光源的光，直到其他光源停止操作。一旦光源停止发射光，光至频率传感器就可以继续测量光的强度。无论执行多少个保持操作，结果都是精确的光测量。

光至频率传感器包括二极管和积分电路。在保持操作期间，光传感器将二极管从积分电路中运算放大器的负输入断开。一旦保持操作已经完成，例如，当其他光源已经停止操作时，光至频率传感器将二极管重新连接到积分电路中运算放大器的负输入，以继续测量来自特定光源的光。在二极管与运算放大器的连接和重新连接期间，来自积分电路的数字输出波形受到干扰，并且可能包括影响光测量精度的一个或多个误差。

二极管与运算放大器负输入的断开和重新连接可能是误差的原因。为了解决这些误差，光至频率传感器将两个保持操作之间的积分视为一个计数测量，例如一个积分。因此，如将在本说明书中描述的，两个保持操作之间的计数包括测量时钟周期的第一部分(例如，就在保持操作开始之前)，以及测量时钟周期的第二部分(例如，就在保持操作退出之后)。

在一些实施方式中，在二极管连接到运算放大器的负输入期间，积分电路的数字输出波形包括用于使光积分精确的特定时间量。积分基本上在保持操作退出后立即开始，但是光频率的测量在延迟起始时间(例如，足以使频率计算精确的时间量)之后开始。光至频率传感器通过将起始时间与总转换时间求和来通过起始时间调整对光亮度的测量。因此，即使在涉及一个或多个保持操作时，光至频率传感器操作也可以校正保持操作中的误差，并且精确地测量来自特定光源的光。

使用这里描述的技术来校正由保持操作引起的误差可以适用于具有各种类型的传感器的积分电路，例如光传感器(这里描述的)、或者温度传感器、声学传感器、或者另一种类型的传感器。

一般来说，无论执行的保持操作的数量如何，光至频率传感器都可以校正输出光测量。因此，光至频率传感器可以精确地测量光，即使在更频繁地执行保持操作的情况下，例如弱光情况。此外，光至频率传感器可以显著地将由保持操作引起的误差减少到少于一个计数，并且保持恒定的低误差计数，而无论保持操作的数量如何。该系统的一些益处包括使用数字逻辑提高保持操作精度，而不需要额外的模拟电路。光至频率传感器也可以容易地集成和/或结合到各种现有的光传感器架构中的任何一个中。

在一个总的方面，一种方法包括：从光信号产生第一输出波形，第一输出波形的频率基于光信号的强度，包括在多个时钟周期上对光信号进行积分；响应于接收到通知，执行保持操作以在时间周期内停止对光信号进行积分；响应于保持操作的结束，生成第二输出波形，该第二输出波形包括将光信号的强度从保持操作的结束开始在多个时钟周期的计数上进行积分，该多个时钟周期在保持操作的结束之后经过延迟量之后开始；以及对第一输出波形和第二输出波形求和以确定光信号的强度。

本公开的这方面和其他方面的其他实施例包括对应的系统、装置和计算机程序，其被配置为执行在计算机存储设备上编码的方法的动作。一台或多台计算机的系统可以通过安装在系统上的软件、固件、硬件或它们的组合来如此配置，这些软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行该动作。一个或多个计算机程序可以通过具有指令来如此配置，该指令在被数据处理装置执行时使得该装置执行该动作。

前述和其他实施例可以各自可选地单独或组合地包括一个或多个以下特征。例如，一个实施例包括以下所有特征的组合。

在一些实施方式中，该方法包括获得通知以执行在时间周期内停止对输出波形进行积分的保持操作，其中该通知表示第二光源将在该时间周期内产生将影响所确定的光信号的强度的准确性的第二光。

在一些实施方式中，误差包括第一误差和第二误差；在对应于输出波形中第一位置的保持操作的开始处检测第一误差，并且在对应于输出波形中第二位置的保持操作的结束处检测第二误差。

在一些实施方式中，该方法包括从输出波形的周期性部分确定多个时钟周期的完整计数部分。

在一些实施方式中，该方法包括基于输出波形的周期性部分和保持操作的结束之后的输出波形的起始部分来确定部分计数部分。

在一些实施方式中，该方法包括基于输出波形的周期性部分和保持操作的起始之前的输出波形的结束部分来确定残余计数部分。

在一些实施方式中，保持操作还包括将光电二极管从积分器放大器的负输入断开并将光电二极管短接到地以启动保持操作；以及将光电二极管连接到积分器放大器的负输入。

在一些实施方式中，对包括误差的多个时钟周期进行积分还包括响应于将光电二极管连接到积分器放大器的负输入，对多个时钟周期进行积分以将误差包括在输出波形中。

在一些实施方式中，对多个时钟周期的积分求和还包括：针对部分计数部分、完整计数部分和残余计数部分对时钟周期的积分求和，以确定第一光的强度。

在一些实施方式中，基于输出波形中的多个周期重复对时钟周期的积分求和。

在一些实施方式中，光的强度的分辨率基于多个时钟周期的频率。

本说明书主题的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐述。根据描述、附图和权利要求，本主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了用于在光至频率传感器中实施保持操作的系统的示例的框图。

图2是示出了用于在光至频率传感器中实施保持操作的系统的示例的框图。

图3A是保持操作期间光至频率传感器的时序图。

图3B是显示图3A所示时序图的延续的时序图。

图4是示出连续保持操作期间光至频率传感器的示意图示例的框图。

图5是说明由于保持操作的改进而产生的结果的示例的框图。

图6是说明由于保持操作的改进而产生的结果的示例的框图。

图7A是示出飞行时间移动设备的系统的示例的框图。

图7B是示出飞行时间移动设备的系统的示例的框图。

图8是示出通过在保持操作期间对光信号进行积分来确定光信号的强度的过程的示例的流程图。

各个附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

图1是示出了用于在光至频率传感器中实施保持操作的系统100的示例的框图。系统100包括第一光源102、一个或多个其他光源104和客户端设备106。客户端设备106包括光至频率传感器108和处理器110。图1示出了阶段(A)至(F)中的各种操作，这些操作可以按照指示的顺序或另一顺序执行。

客户端设备106可以包括例如移动电话、个人计算机(PC)、手持设备、便携式数字助理(PDA)、具有显示屏的音乐播放器、电视、智能电视、安装有传感器的自主/非自主车辆以及具有显示器的相机。此外，客户端设备106可以包括具有显示屏的其他非计算机相关设备。如系统100所示，客户端设备106可以是手持移动设备。

客户端设备106接收来自第一光源102的发射光，并处理该光以生成数字输出波形114。数字输出波形114的频率与来自第一光源102的光的强度成正比。然而，在处理来自第一光源102的光的过程中，处理器110确定来自一个或多个其他光源104的另一个光正在发射光，这可能妨碍对来自第一光源102的光的测量。在一些示例中，例如如果一个或多个其他光源104包括电话上的手电筒，处理器110可以接收指示第二光源正在操作(例如发射光)的信号。在一些示例中，处理器110可以确定第二光源正在操作并发射光。作为响应，处理器110可以通知光至频率传感器108停止处理来自第一光源102的光，直到处理器110已经确定第二光源104已经停止照射光。

在一些实施方式中，客户端设备106可以包括能够检测光的存在的一个或多个光或温度传感器。具体地，处理器110可以使用由光或温度传感器提供的数据来确定光是否从第一光源102和/或其他光源104发出。处理器110可以将来自光和温度传感器的数据与阈值进行比较，以确定光是否从这些源发出。例如，光传感器可以包括光伏电池或光发射电池。温度传感器可以包括调温器或恒温器。

在阶段(A)期间，客户端设备106从第一光源102接收光。光至频率传感器108以及客户端设备106内的其他光和温度传感器可以接收该光。在一些示例中，将在下面进一步描述的光至频率传感器108对可见光和近红外光敏感。光可以用单位面积的光通量或发光度为单位进行测量。第一光源102可以发射来自手电筒、来自移动设备的灯、车辆的前灯、电视屏幕、客户端设备的显示屏、窗口、这些的组合或其他光源的光，仅举几个示例。将光转换为频率的目的包括显示管理。在一些示例中，光至频率的转换可以用于基于来自外部源的光来调整显示屏的亮度。

在阶段(B)期间，光至频率传感器108处理来自第一光源102的接收光。具体地，光至频率传感器108连续处理来自第一光源102的光。光至频率传感器108还可以使用其他传感器来处理数据，例如由温度传感器提供的温度数据。

在阶段(C)期间，光至频率传感器108响应于处理来自第一光源102的光而输出数字输出波形114。具体地，数字输出波形114可以包括方波、正弦波、锯齿波或其他类型的波，仅举几个示例。数字表示的频率与光的强度成正比。如系统100所示，光至频率传感器108输出方波形式的数字输出波形114。在一些实施方式中，光至频率传感器108可以向客户端设备106内的一个或多个电路提供数字输出波形114，用于进一步处理。在一些实施方式中，光至频率传感器108可以向客户端设备106外部的一个或多个电路或设备提供数字输出波形114。

在阶段(D)期间，客户端设备106确定一个或多个其他光源104正在发射能够影响光至频率传感器108对来自第一光源102的光的测量的光。处理器110可以接收来自位于客户端设备106内的其他传感器的数据，该数据指示正在发射或将发射光。例如，处理器110可以接收用户已经选择开启客户端设备106上的光源(例如显示器、手电筒或相机闪光灯)的指示，该光源将发射能够影响来自第一光源102的光的测量的光。在一些示例中，处理器110可以确定客户端设备106外部的其他光(例如灯泡)正在发射。处理器110可以从客户端设备上的温度和光传感器接收数据，该数据指示除了来自第一光源102的光之外的光正在发射。

响应于确定一个或多个其他光源104将发射光，处理器110向光至频率传感器108发送通知112a。作为响应，光至频率传感器108停止处理来自第一光源102的光，并执行保持操作。在保持操作期间，光至频率传感器108停止处理来自第一光源102的光，并输出低信号116，例如具有基本为零的输出值的信号。

在阶段(E)期间，客户端设备106从一个或多个其他光源104接收第二光。阶段(E)类似于阶段(A)，其中从一个或多个其他光源104接收光。仅举几个示例，一个或多个其他光源104可以包括电视、窗户、显示器、手电筒或阳光。第二光会干扰来自第一光源102的光的测量。为了避免这种干扰，当发射第二光时，光至频率传感器108将不处理来自第一光源102的第一光。

在阶段(F)期间，光至频率传感器108在保持操作期间继续输出数字输出波形114。具体地，数字输出波形114包括低信号116，其中数字输出波形114在保持操作期间包括基本为零的电压输出，因为光至频率传感器108在保持操作期间不进行处理。例如，保持操作的持续时间可以持续2秒、5秒或10秒。在系统100中示出的保持周期相当于一除以保持持续时间，并以赫兹(Hz)来测量。

在一些实施方式中，处理器110可以确定第二光源104已经停止发射光。例如，如果一个或多个其他光源104包括客户端设备106上的显示器或手电筒，则处理器110可以从客户端设备106上的该组件接收请求关闭的指示。在一些示例中，处理器110可以从与客户端设备106交互的用户接收通知，以关闭客户端设备106上正在发射光的特定组件。处理器110还可以从位于客户端设备106上的光和温度传感器接收数据，并根据该数据确定第二光源104已经停止发射光。处理器110可以将数据与一个或多个阈值进行比较，并且如果发现数据低于一个或多个阈值，则确定第二光源104已经停止发射光。

响应于确定第二光已经停止发射光，处理器110可以向光至频率传感器108发送另一通知112b，指示其恢复处理来自第一光源102的第一光。在对来自第一光源102的光的处理结束时，光至频率传感器对数字输出波形114中的脉冲数量进行计数，以确定来自第一光源102的光的亮度。数字输出波形114中的脉冲数量越多，光的强度越高。可替换地，数字输出波形114中的脉冲数量越少，光的强度越低。

图2是示出了用于在光至频率传感器中实施保持操作的系统200的示例的框图。系统200包括第一光源102、一个或多个其他光源104、光至频率传感器108以及光至频率传感器108内的各种组件，包括具有CREF值的电容器202、具有VREF值的电压源204、输入传感器206、积分电路208、控制逻辑和控制逻辑/时钟生成器210、逻辑电路212、锁存电路214、逻辑电路216、计数器电路218，计数器电路220以及逻辑电路222。光至频率传感器108内的各种组件附加地包括五个开关，S1-S6。在系统200的一些示例中，组件可以不同地布置，可以使用更少的组件，或者可以包括附加组件。

系统200类似于系统100，因为光至频率传感器108处理来自第一光源102的光。当光至频率传感器108处理来自第一光源102的光时，光至频率传感器108也可以接收来自一个或多个其他光源104的光，这些光可以扭曲来自第一光源102的光的测量结果。

输入传感器206连接到积分电路208中运算放大器的负端。开关S5用于在光传感器209和输入传感器206中的地之间切换以例如电子连接到光传感器(例如光电二极管)或者接地到积分电路208中的负输入。光传感器209可以包括接收光并向积分电路208提供光电二极管电流的二极管。当光至频率传感器108被指示执行保持操作时，开关S5接地。当开关S6闭合时，开关S6用于将运算放大器的负端接地。

在一些实施方式中，积分电路208包括运算放大器，其负输入和正输入接地。此外，运算放大器连接数字至模拟转换器，用于提供OSTRIM[6:0]。OSTRIM[6:0]包括七个AZ DAC比特。AZ DAC比特用于消除运算放大器的偏移。通常，运算放大器在运算放大器的正输入端和负输入端之间具有有限的偏移。该偏移会影响二极管中的电流，其包括不需要的电流。为了将这种不需要的电流降至最低，AZ DAC比特(例如OSTRIM比特)用于调整或减少运算放大器上的偏移。积分放大器电容器CF与运算放大器并联，例如，在运算放大器的输出和运算放大器的负输入端之间。此外，比较器电路包括在积分电路208内，并连接到运算放大器的输出。具体地，运算放大器电路的正端连接到运算放大器的输出。比较器电路在其负端连接到电压源，在其正端连接到放大器输出输入。在一些实施方式中，比较器电路的输出是运算放大器输出，或者比较器电路的输出是电压参考输出。当放大器输出的电压小于具有VREF值的电压源的电压时，比较器电路的输出是电压参考输出VREF。

积分电路208还包括具有CREF值的电容器202。电容器202通过开关S2连接到积分电路208中运算放大器的负输入，并通过开关S4连接在具有VREF电压源的两个电阻器之间。连接到两个电阻器的电容器202的底部连接器通过开关S3并联接地。控制逻辑/时钟生成器210通过两个开关S1和S2连接到积分电路208中放大器的负输入端。开关S1和S2可以由逻辑电路(例如210、212、220和222)之一控制，或者由一些其他外部部件(例如嵌入在与光至频率传感器108相关联的客户端设备中的微控制器或控制逻辑)控制。此外，控制逻辑/时钟生成器210从OSTRIM[10:0]信号输出十个比特。控制逻辑/时钟生成器210包括时钟输入CLK以接收系统时钟。例如，CLK输入可以是737KHz或其他速率。

光至频率传感器108包括锁存电路214。比较器电路的输出COUT连接到锁存电路214的输入D。逻辑电路212向锁存电路214的时钟输入提供修改的时钟信号CLK1。逻辑电路212接收时钟信号CLK和用于调节输出时钟信号CLK1以提供给锁存电路214的保持信号。锁存电路214的输出LOUT连接到控制逻辑/时钟生成器210的输入、计数器电路220的输入和逻辑电路216的输入。例如，S1、S2、S3和S4等开关的控制是从LOUT信号中导出的。这些开关可以基于LOUT信号接通(ON)或断开(OFF)。例如，如果LOUT信号为高，则开关S2和开关S4接通，开关S1和S3断开。开关需要改变，以使积分器输出电压放电或倾卸(dump)至较低阈值。

逻辑电路216从锁存电路214接收第二时钟信号CLK2、保持信号和LOUT信号。逻辑电路216向计数器电路218输出标记为CLK2cnt的计数信号和标记为C2_reset的复位信号。由逻辑电路216接收的保持信号通常为低，除非客户端设备106的处理器指示光至频率传感器108执行保持操作。

计数器电路220和218分别输出计数信号count-1(c1h)和count-2(c2h)信号。另外，计数器电路220和218都向逻辑电路222输出计数信号。逻辑电路222使用来自两个计数器电路的计数信号来产生ADC_COUNT。具体地，c1h通道上的计数表示OPOUT信号中值的变化。c2h通道上的计数表示用于计算ADC_COUNT的OPOUT信号的计数。具体地，当OPOUT信号超过比较器阈值电压时，c1h输出为高。

在一些实施方式中，积分电路208通过从输入传感器206中的光电二极管收集光电二极管电流并将相应的光电二极管电流转换成数字计数来执行模拟至数字转换。积分电路208还可以通过从连接在输入传感器206中的温度传感器收集电流来执行模拟至数字转换。

积分电路208借助积分放大器CF和对应的运算放大器对由来自输入传感器206的二极管提供的光电二极管电流进行积分。如果积分到积分放大器CF中的光电二极管电荷大于由CREF电容器202两端的电压确定的单位电荷包，则逻辑电路222将使ADC_COUNT增加一个计数，并且积分放大器CF上的电荷将减少一个单位电荷包，例如电荷倾卸。在一些实施方式中，针对某时间周期(例如，总积分时间，其可以是100毫秒并且由系统时钟CLK确定)执行对光电二极管电流的积分。在总积分时间期间由逻辑电路222在ADC_COUNT中输出的计数的数量是由输入传感器206中的光电二极管接收的光信号的亮度的测量。

在来自第一光源102的光处理期间，来自二极管的光电二极管电流在积分电路208中的运算放大器的负输入端处被积分。一旦从运算放大器输出的OPOUT信号大于比较器电路处的VREF电压源，比较器信号输出COUT就被设置为高状态。当COUT信号被设置为高状态时，锁存电路214向逻辑电路216、控制逻辑/时钟生成器210和计数器电路220输出高信号。逻辑电路216输出频率大于提供给控制逻辑/时钟生成器210的CLK频率的CLK2cnt脉冲波。例如，CLK2cnt脉冲波输出频率为2MHz的脉冲波。另外，当OPOUT信号从高变为低时，计数器电路220在c1h上输出高信号。另外，计数器电路218在c2h上输出类似于CLK2cnt信号的时钟信号。

当积分放大器CF(在积分电路208中)对来自输入传感器206的光电二极管电流进行积分时，OPOUT的电压增加，即上升。如前所述，当锁存电路214输出高状态时，ADC_COUNT增加1。响应于ADC_COUNT增加1，控制逻辑/时钟生成器210将开关S2和S4切换到接通，使得CREF电容器202和VREF电压源电连接到积分电路208中运算放大器的负输入。因此，先前在开关S4处的VGain处充电的VREF电压源和CREF电容器202连接到积分电路208中的运算放大器的负输入，并释放积分电容器CF上存在的电荷，即g电荷倾卸。放电在系统CLK(737KHz)定义的某一时间量之后停止。

在积分电容器CF经由电荷倾卸而完全放电之后，积分电路208中的运算放大器的输出OPOUT具有比比较器电路处的VREF电压源处的电压更低的电压。作为响应，控制逻辑/时钟生成器210将VREF电压源和CREF电容器202从运算放大器的负输入断开。具体地，控制逻辑/时钟生成器210断开开关S2和S4，并且连接开关S1和S3，使得CREF电容器202可以放电，并且积分电容器CF充电。然后，随着光电二极管电流被积分，积分循环过程再次开始，OPOUT的电压再次上升。

在一些实施方式中，上述积分循环将在总积分时间内重复多次。逻辑电路222输出的ADC_COUNT的计数数量是对来自第一光源102的光亮度的方便测量。当光较亮时，来自二极管的光电二极管电流将很高，因此，ADC_COUNT的计数将很高。当光电二极管为高时，CREF电容器202和VREF电压源的放电将更频繁地发生。可替换地，当光不亮时，来自二极管的光电二极管电流将很低，因此，ADC_COUNT的计数将很低。当光电二极管为低时，CREF电容器202和VREF电压源的放电将不那么频繁地发生。

示图224示出了积分循环的重复。X轴表示时间，Y轴表示电压。从1.61秒开始，OPOUT电压在1.63秒时从1.193伏上升或增加到1.203伏。重复该过程以产生上升电压和放电电压的锯齿图案，如示图224所示。可以在积分电容器CF两端或从运算放大器的输出到地测量示图224所示的电压。

在一些实施方式中，光至频率传感器接收执行保持操作的通知。如示图224的示例所示，保持操作在1.7秒开始并持续到2.2秒。客户端设备106中的处理器110可以向光至频率传感器108的组件发送保持通知。具体地，处理器110可以向控制逻辑/时钟生成器210、逻辑电路212和逻辑电路216发送通知。响应于接收到保持通知，控制逻辑/时钟生成器210可以将开关S5从输入传感器206中的二极管的输出连接到接地“保持”位置。因此，积分电路208停止输出电压值，并立即切换到零电压输出。然而，由于零电压小于比较器电路处的VREF电压源的电压，所以比较器电路输出来自VREF电压源的电压用于COUT。例如，VREF电压值为1.95伏，如示图224所示。另外，逻辑电路212可以向锁存电路214发送保持信号，以不输出值COUT。作为响应，锁存电路214仅将LOUT线上的零电压值输出到控制逻辑/时钟生成器210、逻辑电路216和计数器电路220。另外，计数器电路220接收C1复位线。最后，逻辑电路216接收保持通知，并向计数器电路218输出CLK2cnt线上的零值和C2 reset(复位)线上的高电压值。来自相应计数器电路的c1h输出和c2h输出都将为零。因此，逻辑电路222将输出零值。每个保持操作的各自计数器电路和保持操作的所有计数的总和提供最终的ADC_COUNT输出。

例如，响应于在保持线上接收到低值，结束保持操作，上述积分循环重复该过程，并且OPOUT电压值开始上升。输出波形230显示了ADC_COUNT的输出。每个方形脉冲对应于光的强度的计数，输出波形230的部分232对应于保持操作期间的时间段。

如示图224所示，当保持操作有效时，光至频率传感器108从对光电二极管电流进行积分移动到执行保持操作。这意味着输入传感器206中的光电二极管与积分电路208中的运算放大器的负输入端断开，光电二极管短接到地，运算放大器的负输入短接到地。接下来，当保持操作无效或变为低时，光电二极管与地断开，并通过开关S5重新连接到运算放大器的负输入端。在此切换期间，光电二极管端子从绝对接地电位移动到有限电位，例如10微伏，因为运算放大器即使在执行AZ后也有有限的偏移。AZ表示自动调零，通过调整OSTRIM比特来减少运算放大器上的偏移。即使在调整偏移比特(OSTRIM)后，也会存在有限的残余偏移，例如运算放大器两端的10微伏。运算放大器将有限偏移放大一个增益因子。这里的增益是电压源204处的电容值除以积分电容器CF处的电容值。电压源204处的电容值包括运算放大器的栅极电容和二极管电容。由于增益较大，即使有限偏移很小，运算放大器输出的变化也很大。运算放大器输出的这种变化是输出误差的原因。这个误差是线性的，并且随着保持操作数量的增加而增加。

从示图224来看，保持操作产生两个误差——误差226，其与二极管从运算放大器的负输入端断开相关联，以及误差228，其与二极管与运算放大器的负输入端重新连接相关联。在一些实施方式中，误差228比误差226大得多，因为光电二极管从接地移动到运算放大器的负输入端。由于放大器的有限偏移和大反馈增益，运算放大器的输出电压会发生显著变化，从而导致测量计数的误差。

图3A是保持操作期间光至频率传感器的时序图300。图3B是时序图301，示出了图3A所示时序图300的延续。时序图300中所示的图显示了电路配置输出及其时序操作。在时序图300中，时间从左向右运行。时序图300与图3B所示的时序图301相连。

时序图300包括CLK2cnt信号、CLK信号、C1信号、C1-复位信号、C2-复位信号和保持周期信号的输出。CLK2cnt信号从逻辑电路216输出，并且具有2MHz的频率。CLK信号被输入到控制逻辑/时钟生成器210和逻辑电路212。OPOUT信号从积分电路208输出。C2-复位信号从逻辑电路216输出，并提供给计数器电路218。保持信号由光至频率传感器108外部的组件提供。例如，客户端设备106的处理器或客户端设备106的另一组件可以提供保持信号。

在一些实施方式中，当控制逻辑/时钟生成器210接收到时钟信号(例如CLK信号)时，积分电路208开始执行。最初，控制逻辑/时钟生成器210将开关S2和S4移动到断开位置，并将开关S1和S3移动到接通位置。然后，积分电路208处于闭环中，而不连接到控制逻辑/时钟生成器210。光电二极管电流(例如来自输入传感器206中的二极管的光电二极管电流)在积分电路208处被积分。具体地，光电二极管电流被提供给积分电路208中运算放大器的负端。运算放大器对光电二极管电流进行积分，输出电压OPOUT开始上升。当OPOUT电压大于比较器电路处的VREF电压时，比较器电路输出COUT为高。比较器电路向锁存电路214提供COUT。作为响应，锁存电路214在由逻辑电路212提供的每个时钟周期CLK1提供高输出信号LOUT。接下来，逻辑电路222接收高输出，并输出一个单元的ADC_COUNT，用于增加计数。

响应于逻辑电路222输出一个单元的输出，控制逻辑/时钟生成器210将开关S2和S4设置为闭合，并打开开关S1和S3。结果，CREF电容器202两端的充电电压被注入积分电路208中运算放大器的负端。同时，逻辑电路222将计数器输出信号ADC_COUNT增加一个计数。在CREF电容器202两端的充电电压的注入被提供给运算放大器的负输入之后，输出信号OPOUT低于VREF电压源处的参考电压信号VREF，然后CREF电容器202被再充电。这是通过打开开关S2和S4并关闭开关S1和S3来实现的。对于电荷倾卸，计数器将计数器输出信号ADC_COUNT增加一个计数。在给定的总积分时间期间收集的计数的数量是来自第一光源102的光的亮度的测量。

如前所述，当保持操作有效时，客户端设备106检测到存在另一发射光，例如，一个或多个其他光源104，其可以扭曲对来自第一光源102的光的测量。具体地，在保持操作期间，光至频率传感器108从对光电二极管电流进行积分移动到执行保持操作。这意味着输入传感器206中的光电二极管与运算放大器的负输入端断开，光电二极管短接到地，运算放大器的负输入短接到地。在保持操作完成之后，光电二极管重新连接到积分电路208中运算放大器的负输入，并在其测量来自第一光源102的光期间继续对光电二极管电流进行积分。由于光电二极管从运算放大器的负输入端断开和重新连接，放大器的电压输出受到干扰并包含误差。这些误差会改变ADC_COUNT中的输出，并最终影响光至频率输出计数。这些误差在时序图300中是明显的。例如，误差302示出了光电二极管从运算放大器的负端断开的时间点处的OPOUT。误差304示出了光电二极管重新连接到运算放大器负端的时间点处的OPOUT。

在时序图300所示的保持操作中，逻辑电路222为C2h中的每个计数输出产生ADC_COUNT的计数。因此，C2h脉冲用于确定ADC_COUNT的计数。具体地，C2h脉冲的一个周期对应于ADC_COUNT的单个计数。然而，在保持操作期间，存在未完成的计数，这会干扰ADC_COUNT的测量。

为了确定ADC_COUNT，逻辑电路222在OPOUT的上升周期下对C2h脉冲求和。如时序图300所示，逻辑电路222对第一部分计数(FC)314、完整计数(full count)316和残余计数(RC)318中的C2h脉冲求和。在保持操作期间，C2h脉冲有两个未完成的计数-RC 318和FC320。FC 320包括在保持操作结束之后积分电路208的积分的开始。RC 318包括到积分结束(例如，在保持操作开始的地方)的未完成积分计数。

在二极管重新连接到运算放大器的负端期间，运算放大器产生有误差的输出，并且包括有限的时间来返回到光电二极管电流的适当积分。因此，为了解决有误差的输出，光至频率传感器在保持操作退出之后立即开始积分，但是测量(计数器)仅在延迟有限起始时间303之后才开始计数。例如，有限起始时间303是20微秒。当保持操作退出并且积分开始(例如，将光电二极管连接到运算放大器的负输入端)时，直到有限起始时间303过去之后才开始计数。因此，通过将有限起始时间303添加到总积分时间，将相应地调整来自ADC_COUNT的总转换时间。通过结合有限起始时间，可以用n个保持操作更精确地测量来自第一光源102的光。

以下等式描述了在n个保持操作期间对ADC_COUNT进行计数的过程。时序图300所示的周期M1中的ADC_COUNT测量为：

时序图300所示的周期M2中的ADC_COUNT测量为：

如时序图301所示，周期M3中的ADC_COUNT测量为：

如时序图301所示，周期Mn中的ADC_COUNT测量为：

FC1、FC2、FC3和FCN分别对应于其测量范围内C2h脉冲的第一部分计数。类似地，RC1、RC2、RC3和RCN分别对应于其测量范围内C2h的最后部分计数。

在一些实施方式中，第一部分计数，例如FC1 314、FC2 320、FC3 328和FCN 334，是在它们各自的测量范围内使用辅助计数器导出的。完整的辅助计数器具有一个完整计数C2h的信息。因此，为了确定第一部分计数FCn，等式变为残余部分计数RCN的等式为基于完整计数、部分计数、残余计数的信息，可以计算总积分时间和总ADC_COUNT。

在总积分时间结束之后，逻辑电路222可以计算总测量时间，该总测量时间包括每个短中间测量(例如M1-Mn)的总和。

总积分＝measurement_time1+measurement_time2+....+measurement_timen(5)

然后通过对ADC_COUNT的每个短测量求和来计算总ADC_COUNT。以下等式显示了计算总ADC_COUNT的过程：

ADC_count_final＝ADC_count1+ADC_count2+......+ADC_countn (6)

ADC_count_final＝FC1+Full_count1+RC1+FC2+Full_count2+RC2+FCn+Full_countn+RCn (7)

ADC_count_final＝FC1+FC2+FCn Full_count1+Full_count2+Full_countnRC1+RC2+RCn (8)

ADC_count_final＝∑FC+∑Full_count+∑RC (9)

因此，等式9和10示出了使用时序图300和301中所示的部分计数、完整计数和残余计数的结果ADC_COUNT。部分计数、完整计数和残余计数基于C2h信号的脉冲。这些计算减少了在n个连续保持操作的保持操作期间引入的误差。此外，这些计算确保ADC_COUNT输出是精确的并且类似于没有执行保持操作。无论执行的保持操作的数量、光电二极管的大小以及引入系统的光源数量如何，ADC_COUNT输出都是正确的。

图4是示出连续保持操作期间光至频率传感器的框图400的示例的框图。具体地，框图400示出了应用如前所述的校正技术的多个保持操作期间的OPOUT波形。在每个保持操作的开始和结束时，OPOUT波形不会因光电二极管从运算放大器负输入端断开和二极管重新连接而出现任何误差。例如，框图400中的OPOUT波形在n个保持操作中没有任何类似于误差302、304、306、308和310的误差。

图5是说明由于保持操作的改进而产生的结果的示例的框图500。具体地，框图500在Y轴上示出了ADC_COUNT和在X轴上示出了为光至频率传感器执行的保持操作的数量。如框图500所示，在不使用上面讨论的建议技术的情况下，ADC_COUNT随着保持操作的数量增加而增加。然而，使用上面讨论的建议技术，随着保持操作的数量增加，ADC_COUNT保持不变。

图6是说明由于保持操作的改进而产生的结果的示例的框图600。具体地，框图600在Y轴上示出了ADC_COUNT变化和在X轴上示出了执行的保持操作的数量。如框图600所示，在不使用上面讨论的建议技术的情况下，ADC_COUNT变化随着保持操作的数量增加而改变。然而，使用上面讨论的建议技术，ADC_COUNT的变化不会随着保持操作的数量增加而改变。

下图说明了在类似数量的保持操作中测量各种光的强度的用例。

表1：150个计数范围的用例

如表1所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持相同。对于来自光源的特定光强度的150个计数的实际值，电路一致地测量141.7个计数。

表2：300个计数范围的用例

如表2所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持相同。对于来自光源的特定光强度的300个计数的实际值，电路测量在283.3到283.5个计数之间，这包括小的误差范围。在没有使用建议技术的现有电路中，误差随着保持操作的数量增加而增加。

表3：450个计数范围的用例

如表3所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持大致相同。对于来自光源的特定光强度的450个计数的实际值，电路测量在424.2到425个计数之间，这包括小的误差范围，略大于表2中的误差范围。在没有使用建议技术的现有电路中，误差随着保持操作的数量增加而增加。

表4：550个计数范围的用例

如表4所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持相同。对于来自光源的特定光强度的550个计数的实际值，电路测量在566.6到566.8个计数之间，这包括极小的误差范围。在没有使用建议技术的现有电路中，误差随着保持操作的数量增加而增加。

表5：850个计数范围的用例

如表5所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持大致相同。对于来自光源的特定光强度的850个计数的实际值，电路测量在849.7到850个计数之间，这包括小的误差范围。在没有使用建议技术的现有电路中，误差随着保持操作的数量增加而增加。

表6：1000个计数范围的用例

如表6所示，随着保持操作的数量增加，建议电路的计数保持大致相同。对于来自光源的特定光强度的1000个计数的实际值，电路测量在991到992.2个计数之间，这包括小的误差范围。在没有使用建议技术的现有电路中，误差随着保持操作的数量增加而增加。

保持操作计数与无保持操作不同。对于每个用例，误差随着保持操作的数量线性增加。在建议技术中，无保持操作到有保持操作之间的误差很小，具体地小于一个计数。此外，建议技术中的这个小误差与保持的数量一致。这表明，在给定的条件和给定的二极管面积大小(例如56微米乘56微米)的情况下，保持操作比现有架构显著改善。

参考图7A，在一些示例中，诸如这里描述的那些的光至频率转换器750可以安装在或结合到例如移动电话、平板电脑或可穿戴计算设备的移动设备752的正面。移动设备752的正面是设备的包括屏幕755的一面。光至频率转换器750可以包括在正面成像系统中，该正面成像系统包括照明设备754和包括ToF成像传感器758的成像组件。正面光至频率转换器750可用于测量各种弱光或环境光应用(例如用于面部识别应用)中的光。

参考图7B，在一些示例中，光至频率转换器770可以安装在移动计算设备772的背面。背面是设备的与正面相对的一面，例如不包括屏幕的一面。光至频率转换器770可以是背面成像系统的一部分，该背面成像系统包括照明设备774、包括ToF成像传感器778的成像组件。光至频率转换器770可用于例如对象识别、环境映射，例如由一个或多个处理器782进行的房间780的映射。

诸如这里描述的那些的光至频率转换器可以被结合到其他设备中，包括自主车辆、游戏控制台、距离测量设备、监视设备和其他设备。

图8是示出通过在保持操作期间对光信号进行积分来确定光信号的强度的过程800的示例的流程图。过程800可以由光至频率转换器内的组件来执行。

从光信号生成第一输出波形，第一输出波形的频率基于光信号的强度，包括在多个时钟周期上对光信号进行积分(802)。具体地，光至频率传感器接收来自第一光源的光。作为响应，光至频率传感器输出第一数字波形，其频率与来自第一光源的光的强度成正比。仅举几个示例，第一数字波形可以包括方波、正弦波、脉冲形波、锯齿波或其他类型波的形式的多个时钟周期。

响应于接收到通知，执行保持操作以在时间周期内停止对光信号进行积分(804)。在处理来自第一光源的第一光期间，处理器可以接收来自位于客户端设备内的其他传感器的数据，该数据指示其他光正在发射或将被发射。响应于确定其他光将被发射，处理器110可以向光至频率传感器发送通知，该通知向光至频率传感器指示停止处理来自第一光源的光。具体地，光至频率传感器通过断开二极管与运算放大器负端之间的开关，将二极管与运算放大器的负端断开，以停止对光进行积分。因此，积分放大器在保持操作期间停止对二极管电流进行积分。

响应于保持操作的结束，生成第二输出波形，该第二输出波形包括将光信号的强度从保持操作的结束开始在多个时钟周期的计数上进行积分，该多个时钟周期在保持操作的结束之后经过延迟量之后开始(806)。具体地，响应于保持操作的结束，光至频率传感器继续输出第二数字波形。第二输出波形包括在保持操作期间第二输出波形变低的部分，因为光至频率传感器在保持操作期间不进行处理。

对第一输出波形和第二输出波形求和以确定光信号的强度(808)。在处理来自第一光信号的光之后，光至频率传感器将第一输出波形和第二输出波形中的脉冲求和，以确定来自第一光信号的光的亮度。脉冲计数越高，光越亮(例如，光强度越高)。可替换地，脉冲计数越低，光强度越低。

已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描述的过程不一定需要所示的特定次序或顺序次序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims

1.一种用于将光转换成频率的方法，包括：

从光信号产生第一输出波形，所述第一输出波形的频率基于所述光信号的强度，包括在多个时钟周期上对所述光信号进行积分；

响应于接收到通知，执行保持操作以在时间周期内停止对所述光信号进行积分；

响应于所述保持操作的结束，生成第二输出波形，所述第二输出波形包括将所述光信号的强度从所述保持操作的结束开始在多个时钟周期的计数上进行积分，所述多个时钟周期在所述保持操作的结束之后经过延迟量之后开始；和

对所述第一输出波形和所述第二输出波形求和以确定所述光信号的强度。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

获得所述通知以执行在所述时间周期内停止对所述输出波形进行积分的所述保持操作，其中所述通知表示第二光源将在所述时间周期内产生将影响所确定的所述光信号的强度的准确性的第二光。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，误差包括第一误差和第二误差；在对应于所述输出波形中第一位置的所述保持操作的开始处检测所述第一误差，并且在对应于所述输出波形中第二位置的所述保持操作的结束处检测所述第二误差。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，进一步包括：

从所述输出波形的周期性部分确定所述多个时钟周期的完整计数部分。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

基于所述输出波形的周期性部分和所述保持操作的结束之后的所述输出波形的起始部分来确定部分计数部分。

6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

基于所述输出波形的周期性部分和所述保持操作的起始之前的所述输出波形的结束部分来确定残余计数部分。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述保持操作还包括：

将光电二极管从积分器放大器的负输入断开并将所述光电二极管短接到地以启动所述保持操作；和

将所述光电二极管连接到所述积分器放大器的负输入。

8.根据权利要求7所述的方法，其中对包括误差的所述多个时钟周期进行积分还包括响应于将所述光电二极管连接到所述积分器放大器的负输入，对所述多个时钟周期进行积分以将所述误差包括在所述输出波形中。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中对所述多个时钟周期的积分求和还包括：

针对部分计数部分、完整计数部分和残余计数部分对所述时钟周期的积分求和，以确定第一光的强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中基于所述输出波形中的多个周期重复对所述时钟周期的积分求和。

11.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述光信号的强度的分辨率基于所述多个时钟周期的频率。

12.一种移动计算设备，配置为实现根据权利要求1-11中任一项所述的方法。

13.一种包括根据权利要求12所述的移动计算设备的车辆。