DE102018220688A1

DE102018220688A1 - Analog-Digital-Wandler

Info

Publication number: DE102018220688A1
Application number: DE102018220688.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Beuschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG; Ibeo Automotive Systems GmbH
Current assignee: Microvision Inc Redmond Us
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04
Also published as: EP3888247A1; CN113169741A; WO2020109378A1; KR20210089735A; KR102631502B1; IL283479A; JP2022510177A; JP7365719B2; CA3122867A1; US20220029633A1

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

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:

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 LIDAR 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 LIDAR 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:

1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers veranschaulicht; und
2 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Histogramm zeigt;
3 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Histogramm unter dem Einfluss von Zeitzittern zeigt;
4 eine Ausgabe eines TDC und ein TC-Histogramm unter dem Einfluss von Zeitzittern zeigt, wobei das TC-Histogramm korrigiert ist;
5 TC-Histogramme mit (Mitte) und ohne (links) Einfluss von Zeitzittern zeigt und ein korrigiertes TC-Histogramm zeigt (rechts); und
6 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels eines Analog-Digital-Wandlers mit einem Voraktivierungssignal veranschaulicht.

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 LIDAR 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-Block10 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 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 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 1 entsprechend eingerichtet, sodass die Zeitzitter-Leistung verbessert wird.
Der Zeitzitter-Effekt ist in 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 2, dort hat der dritte Bin den Wert „1“) auf den Wert „3“ erhöht, wohingegen der Wert 26b im fünften Bin vom Wert „4“ (2) auf den Wert 2 erniedrigt wird und der Wert 26c des drittletzten Bins wird vom Wert „1“ (2) auf den Wert „4“ erhöht.
Vergleicht man den Verlauf des TC-Histogramms 21 von 2 mit dem Verlauf des TC-Histogramms 26 von 3, so fällt auf, dass das TC-Histogramm 26 durch das Zeitzittern weniger einem Sinusverlauf ähnelt als das TC-Histogramm 21 von 2.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 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 (else) setze Fh(T,N) = Kombination(Fh(T,N-1),N).

Ferner galt für das Verfahren, welches unter Bezugnahme auf 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.
4 zeigt oben nochmals die Ausgabe 25 des ersten TDC 7 mit einem entsprechenden Zeitzittern behaftet, wie es bereits im Zusammenhang mit 3 erläutert wurde.
Das resultierende TC-Histogramm 30, welches durch Anwenden der oben genannten Maßnahmen, nämlich die Regeln (1) und (2), zeigt die 4 unten, wobei hier der Effekt des Zeitzitterns verglichen zu dem TC-Histogramm 26 der 3 reduziert ist.
Der Abtastwert bei 30a (siehe Wert bei 26a in 3) ist von dem Wert „3“ (26a in 3) auf den Wert „2“ (30a in 4) reduziert (original ist „1“).
Der Abtastwert, der dem Wert bei 26b in 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 3) auf „2.5“ reduziert (original ist „1“).
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).
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 5 dargestellte TC-Histogramm 26 erzeugt.
Das in der Mitte der 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.
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 LIDAR 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_diff(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. t_nominal ≥ 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) = t_nominal - 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.
Bezugszeichenliste

1: Analog-Digital-Wandler
2: Analoger Eingang
3: Startsignaleingang
4: Komparator
5: Rampenzähler
6: DA-Wandler
7: Erster TDC
8: Zweiter TDC
9: Inverter
10: Histogramm-Block
11: Wellenformausgabe
20: Ausgabe des ersten TDC 7
21: TC-Histogramm
25: Ausgabe des ersten TDC 7 mit Zeitzittern
26: TC-Histogramm
30: TC-Histogramm
40: Analog-Digital-Wandler
41: Analoger Eingang
42: Voraktivierungssignaleingang
43: Komparator
44: Rampenzähler
45: Digital-Analog-Wandler 45
46: Erster TDC
47: Zweiter TDC
48: Inverter
49: Histogramm-Block
50: Synchronisator
51: Startsignaleingang
52: Wellenformausgabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/081294 [0003]

Claims

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.
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.
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.
Analog-Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Histogramm-Block (10) Werte aus verschiedenen Ausgaben (20, 25) kombiniert.
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.
Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, wobei die Werte so kombiniert werden, dass ein Durchschnittswert in das zeitkorrelierte Histogramm (21, 26, 30) gefüllt wird.
Analog-Digital-Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Werte auf Grundlage einer Funktion kombiniert werden.
Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 7, wobei die Funktion nicht-linear ist.
Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 8, wobei die Funktion von der Differenz der Werte abhängt.
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.
Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Startsignaleingang (3) umfassend zum Empfangen eines periodischen Startsignals.
Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 11, weiter einen Rampenzähler (5) der basieren auf dem periodischen Startsignal einen Zählerwert generiert.
Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 12, weiter einen Digital-Analog-Wandler (6) umfassend, der basierend auf dem Zählerwert das Rampensignal generiert.
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.
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.