KR20210089735A

KR20210089735A - 아날로그-디지털 컨버터

Info

Publication number: KR20210089735A
Application number: KR1020217017762A
Authority: KR
Inventors: 랄프 보이셸
Original assignee: 이베오 오토모티브 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-07-16
Also published as: CN113169741A; CN113169741B; WO2020109378A1; CA3122867A1; EP3888247A1; US20220029633A1; JP7365719B2; IL283479A; JP2022510177A; KR102631502B1; DE102018220688A1; US11984908B2

Abstract

아날로그-디지털 컨버터
본 발명은 아날로그-디지털 컨버터(1)에 관한 것으로, 아날로그 신호를 수신하기 위한 아날로그 입력부; 제1 시간-디지털 컨버터(7); 및 히스토그램 블록(10)을 포함하고, 상기 제1 시간-디지털 컨버터(7)는 램프 신호에 기초하여 아날로그 신호를 스캔하고, 상기 히스토그램 블록(10)에 출력(20, 25)을 전달하며, 상기 히스토그램 블록(10)은 이를 기초로 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)을 생성한다.

Description

아날로그-디지털 컨버터

본 발명은 일반적으로 아날로그-디지털 컨버터에 관한 것이다.

소위 비행 시간 원리에 기초할 수 있는 광학 비행 시간 측정을 위한 다양한 방법이 잘 알려져 있으며, 광 신호 비행 시간의 경우, 비행 시간에 기초하여 물체까지의 거리를 결정하기 위해, 방출되고 물체에 의해 반사되는 광 신호의 비행 시간이 측정된다.

특히 자동차 분야에서 소위 LIDAR(Light Detection and Ranging) 원리에 기초하는 센서들이 사용되며, 펄스가 주변 지역을 스캔하기 위해 주기적으로 방출되고, 반사된 펄스가 검출된다. 예를 들어 WO 2017/081294에 대응하는 방법 및 디바이스가 알려져 있다.

비행 시간 측정의 경우, 특히 LIDAR 측정의 경우 다른 아날로그 신호들을 모니터링하고 높은 스캐닝 속도로 그들을 스캔하는 것이 요구된다. 예를 들어, 광 측정을 위해 포토 다이오드에 의해 전달되는 아날로그 신호들을 스캔하고, 모니터링을 위해 레이저 또는 레이저 다이오드의 전류 및/또는 전압 신호들을 각각 스캔할 수 있다.

아날로그 신호의 스캔을 위한 방법들이 종래기술로부터 알려졌더라도, 본 발명의 과제는 아날로그-디지털 컨버터를 제공하는 것이다.

청구항 1에 따른 아날로그 디지털 컨버터는 이러한 과제를 해결한다.

제1 양상에 따르면, 본 발명은 아날로그 신호를 수신하기 위한 아날로그 입력부; 제1 시간-디지털 컨버터; 및 히스토그램 블록을 포함하는 아날로그-디지털 컨버터를 제공하고, 상기 제1 시간-디지털 컨버터는 램프(ramp) 신호에 기초하여 상기 아날로그 신호를 스캔하고 상기 히스토그램 블록에 출력을 전달하며, 상기 히스토그램 블록은 이를 기초로 시간-상관된 히스토그램을 생성한다.

본 발명의 추가적인 유리한 설계들은 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 하위 청구항, 도면 및 이하의 설명으로부터 이루어진다.

언급한 것과 같이, 일부 예시적인 실시예들은 아날로그 신호를 수신하기 위한 아날로그 입력부; 제1 시간-디지털 컨버터; 및 히스토그램 블록을 포함하고, 상기 제1 시간-디지털 컨버터는 램프 신호에 기초하여 상기 아날로그 신호를 스캔하고, 상기 히스토그램 블록에 출력을 전달하며, 상기 히스토그램 블록은 이를 기초로 시간-상관된 히스토그램을 생성하는 아날로그-디지털 컨버터(이하 AD 컨버터)와 관련이 있다.

위에서 언급한 것과 같이, 특히 LIDAR 측정의 경우 서로 다른 아날로그 신호들을 모니터링하고 높은 스캔 속도로 스캔해야 한다. 예를 들어, 광 측정을 위해 포토다이오드에 의해 전송되는 아날로그 신호들을 스캔하거나, 모니터링을 위해 레이저 또는 레이저 다이오드의 전류 및/또는 전압 신호를 스캔해야 한다. 일부 예시적인 실시예에서, AD 컨버터는 따라서 광 다이오드의 아날로그 신호 또는 레이저(다이오드)에 의한 전압 또는 전류 등의 AD 변환에 사용되며, 예를 들어 자동차 분야에서 사용되는, 예컨대 LIDAR 측정을 위한 디바이스 등과 같은 해당 장치에 제공될 수 있다. 본 발명은 이러한 경우들로 제한되지는 않는다. 일부 예시적인 실시예들은 따라서 예를 들어 SPAD(Single Avalanche Photo Diode) 기술, CAPD(Current Assisted Photo Diode) 기술, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술 등을 기초로 광원(예를 들어 레이저)에 의해 방출되고, 물체의 의해 반사되는 광펄스를 검출하기 위한 검출기 또는 센서를 포함하는 디바이스와 관련이 있으며, 본 발명의 AD 컨버터는 이러한 디바이스를 사용할 수 있다. 따라서 이러한 디바이스는 방출된 광 펄스의 비행 시간을 결정하고, 이를 기초로 예를 들어 수단들과 물체 사이의 거리, 물체의 3차원 이미지 등을 결정하도록 더 구성될 수 있다. 일부 예시적인 실시예의 경우, 거리의 결정은 소위 TCSPC(time correlated signal photon couting) 측정 원리, 특히 LIDAR를 기초로 하는 예시적인 실시예의 경우에서 측정 원리를 기초로 한다. 설명된 수단들, 디바이스들 또는 AD 컨버터들은 각각 자율적으로 작동하는(움직이는) 차량에 사용될 수 있다.

특히 LIDAR 측정의 경우 레이저 전류 펄스는 2 ~ 10 나노초 사이의 범위에 있을 수 있으며, 따라서 전통적으로 1GHz ~ 5GHz의 주파수를 가진 AD 컨버터들이 필요하며,이 유형의 AD 컨버터들은 일반적으로 비싸고 높은 소비량(예를 들어 > 500mW)을 가진다.

대조적으로, 빠른 시간-디지털 컨버터들이 일반적으로 알려져 있으며, 예를 들어, 500 피코초(picoseconds)보다 더 나은 시간 분해능(resolution)을 가질 수 있으며, 따라서 제1 시간-디지털 컨버터("TDC"라고도 함)는, 그 자체로 알려진, 이러한 유형의 TDC를 기초로 할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들의 경우, 전류 신호 또는 전압 신호와 같은 아날로그 신호는 따라서 비용 효율적인 방법으로 고시간 분해능을 가지는 광원에 의해 디지털화될 수 있다.

제1 TDC는 아날로그 신호에 기초하여 해당하는 출력을 전달하며, 여기서 상기 출력은, 스캔을 위한 기초로서 램프 신호를 사용한다는 점에서, 아날로그 신호를 특성화하는 시간-상관된 디지털 값을 일반적으로 포함한다.

상기 히스토그램 블록은 시간-상관된 히스토그램을 생성하며, 시작 시간을 참조하는 빈(bin)들은 시작 시간까지의 시간 지연을 나타내고, 여기서 제1 TDC 출력의 대응하는 값들이 각 빈에 채워진다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 주기적 입력 신호(아날로그 신호)의 진폭(amplitude)은 따라서 램프 신호와 비교될 수 있으며, 주기적 입력 신호의 형태는 여러 스캔 사이클에서 순차적으로 스캔될 수 있다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 히스토그램 블록은 시간 지터링(time jittering)의 효과를 감소시키기 위해 시간-상관된 히스토그램을 보정하도록 구성된다. 시간 지터링은 제1 TDC의 출력에서 값들이 "잘못"(예컨대 시간 측면에서 너무 빠르거나 너무 늦음) 상관되는 결과를 낳을 수 있다. 히스토그램 블록은 시간-상관된 히스토그램에서 너무 높거나 너무 낮은 그러한 시간 이동들(time shifts) 및/또는 관련된 값들을 적어도 부분적으로 보정할 수 있으며, 여기서 보정은 시간 지터링의 효과가 완전히 보상될 수 있는 것을 의미하는 완전한 보정을 반드시 의미하지는 않고, 예를 들어 시간 지터링의 효과가 적어도 부분적으로 감소되는 경우인 부분 보정도 포함한다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 시간 지터링의 효과는 제1 시간-디지털 컨버터의 출력에서 시간-이동된(time-shifted) 값으로 이어지고, 이러한 효과들은 적어도 부분적으로 감소할 수 있다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 히스토그램 블록은 다른 출력들로부터의 값들을 조합한다. 예를 들어 제1 TDC는 순차 출력을 전달하며, 히스토그램 블록은 이러한 서로 다른 연속되는 출력들로부터의 값들 조합할 수 있다.

예를 들어, 출력의 최대 값이 시간-상관된 히스토그램에 채워지도록 값들을 조합할 수 있다. 예를 들어, 제1 출력에서 오는 이미 사용 가능한 값보다 높은 값을 시간-상관된 히스토그램의 동일한 빈의 제2 출력이 포함한 경우, 사용 가능한 값은 제2 출력의 더 높은 값으로 대체된다.

한편, 상기 값들은 또한 평균 값, 예를 들어 시간-상관된 히스토그램의 특정 빈에 대한 이전 출력 값 및 현재 출력 값의 평균이 시간-상관된 히스토그램에 채워지도록 조합될 수 있다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 상기 값들은 함수에 기초하여 조합되며, 여기서 함수는 비선형일 수 있으며, 일부 예시적인 실시 예에서 일반적으로 각각 더 미세하거나 더 미세하게 조정되거나 적응된 시간 지터 효과의 보정으로 이어질 수 있다. 상기 함수는 상기 값들의 차이에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 서로 다른 출력 사이의 차이가 더 큰 경우 더 강력한 보정이 수행된다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 시간-상관된 히스토그램에서 값들은 적어도 하나의 시간 인스턴스(time instance)만큼 이동된다. 따라서 시간 지터링으로 인한 스캔 값의 이동은 (적어도 부분적으로) 보상될 수 있다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, AD 컨버터는 주기적 시작 신호를 수신하기위한 시작 신호 입력부를 더 포함한다. 주기적 시작 신호는 예를 들어 펄스 생성기에 의해 생성될 수 있으며, AD 컨버터로 전달될 수 있다. 주기적 시작 신호는 또한 (제1) TDC 및/또는 히스토그램 블록으로 전달될 수 있으며, 그런 다음 마찬가지로 시작 신호를 사용하여 측정 사이클을 시작한다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, AD 컨버터는 램프 신호를 생성하는 램프 생성기를 더 포함한다. 예를 들어 램프 생성기에는 주기적 시작 신호를 기초로 카운터 값을 생성하는 램프 카운터를 구비한다. 일부 예시적인 실시예들의 경우, AD 컨버터(또는 램프 생성기, 각각)는 카운터 값에 기초하여 램프 신호를 생성하는 디지털-아날로그 컨버터를 더 포함한다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 아날로그-디지털 카운터는 램프 신호와 아날로그 신호를 비교하는 비교기를 더 포함하고, 비교기 신호를 제1 시간-디지털 컨버터로 출력한다.

일부 예시적인 실시예들의 경우, 아날로그-디지털 컨버터는 제2 시간-디지털 컨버터를 더 포함하고, 여기서 제1 시간-디지털 컨버터는 아날로그 신호가 램프 신호 위에 있는 시간 인터벌들(intervals)을 캡처하고, 제2 시간-디지털 컨버터는 아날로그 신호가 램프 신호 아래에 있는 시간 인터벌을 캡처한다. 제1 및 제2 TDC의 대응하는 출력들은 히스토그램 블록으로 전달되며, 히스토그램 블록은 이를 기초로 시간-상관된 히스토그램을 생성하고, 시간-상관된 히스토그램은 추가로 평가될 수 있으며, 예를 들어 히스토그램 블록은 시간-상관된 히스토그램에 기초하여 파형을 생성하여 출력하며, 예를 들어 가우시안 함수(Gaussian function), 사인 함수(sine function) 등을 시간-상관된 히스토그램의 코스(course)에 적응시킨다.

위에서 또는 여기서 기술된 방법 단계들 각각은 특히 여기서 개시된 바와 같은 AD 컨버터를 동작시키는 방법의 청구 대상(subject matter)일 수 있다.

일부 예시적인 실시예들은 또한 명령어를 수신하는 (컴퓨터) 프로그램에 관한 것으로, 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행될 때 여기에 설명된 방법이 실행되도록 한다.

일부 예시적인 실시예들은 또한 프로그램 또는 명령을 각각 수신하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것으로, 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행될 때 여기에 설명 된 프로그램 또는 방법이 각각 실행되도록 한다.

본 발명의 과제는 아날로그-디지털 컨버터를 제공하는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 방식으로 이제 설명한다.
도 1은 아날로그-디지털 컨버터의 예시적인 실시예의 회로도를 나타낸다.
도 2는 TDC 및 TC 히스토그램의 출력을 나타낸다.
도 3은 시간 지터링의 영향이 있는 TDC 및 TC 히스토그램의 출력을 나타낸다.
도 4는 TC 히스토그램이 보정된 시간 지터링의 영향이 있는 TDC 및 TC 히스토그램의 출력을 나타낸다.
도 5는 시간 지터링의 영향이 있는 (중앙) 및 없는 (좌측) TC 히스토그램을 나타내고 보정된 TC 히스토그램 (우측)을 나타낸다.
도 6은 사전 활성화 신호를 가지는 아날로그-디지털 컨버터의 예시적인 실시 예의 회로도를 나타낸다.

도 1은 아날로그-디지털 컨버터(1)의 예시적인 실시예의 회로도를 나타내며, 이하에서는 짧게 AD 컨버터(1)라고 한다.

위에서 설명한 바와 같이, AD 컨버터(1)는 변경없이 주기적이고 적어도 2 회 반복되는 모든 신호의 경우에서 일반적으로 사용될 수 있다.

본 발명을 그것에 제한하는 것 없이, 본 예시적인 실시예에서는 AD 컨버터(1)가 TCSP 측정 원리를 사용하는 LIDAR 측정 시스템에서 사용되는 것으로 가정한다. 사용된 레이저 펄스 또는 레이저 펄스 시퀀스는 예를 들어 300 미터 범위에서 2 마이크로 초(microsecond)마다 주기적으로 고주파로 따라서 방출될 수 있다.

AD 컨버터의 일반적인 작동 모드는 주기적인 입력 신호를 램프(ramp) 신호와 비교하는 것을 기초로 한다.

램프 신호는 상대적으로 느리고 주기적인 입력 신호 사이클(cycle)과 동기(synchronous)이거나 또는 비동기(asynchronous)일 수 있다. TDC(Time-to-Digital Converter)들은 각 주기에 대해 램프 신호가 교차하는 시점을 측정하고, 측정 값들은 시간-상관된 히스토그램 블록에 기록된다. 아래에서 보다 자세히 설명된다:

AD 컨버터(1)는 변환될 아날로그 신호가 입력되는 아날로그 입력부(2)를 가지며, 예를 들어, 펄스 생성기에서 생성되며 LIDAR 측정 시스템의 광 펄스 생성에도 사용되는 주기적인 시작 신호 또는 펄스 신호가 각각 인가되는 시작 신호 입력부(3)를 가진다.

AD 컨버터(1)는 아날로그 입력부(2)에서 수신된 아날로그 신호를 아날로그 램프 신호와 비교하기 위한 비교기(4)를 더 가진다.

이 예시적인 실시 예에서, 아날로그 램프 신호는 상승 톱니 모양을 가지고, 대략 0 볼트(vole)에서 시작하고 지정된 최대 값까지 상승한다. 램프 신호의 상승 기간(rise duration)은 여기에서 펄스 생성기 주파수의 고정 배수를 기초로 하며, 예를 들어 7 비트(bit)의 유효 분해능으로 스캔하기 위해 framp = 1/128*fpulse 이다. 여기서 "framp"는 램프 신호의 주파수이고, "fpulse"는 시작 신호 입력부(3)를 통해 수신되는 펄스 신호의 주파수이다.

램프 신호는 디지털-아날로그 컨버터(6)(이하 DA 컨버터라고 함)에 연결된 램프 카운터(5)를 통해 생성된다.

램프 카운터(5)는 시작 신호 입력부(3)를 통해 수신되는 (즉, 새로운 스캐닝 사이클의 시작에서) 각각 수신된 시작 펄스에 의해 카운터를 하나씩 증가시킨다. 수신된 이진 값이 DA 컨버터(6)로 전달되어, 이진 값에 해당하는 램프 신호가 생성되므로, 이진 값이 증가함에 따라 각각 더 높은 램프 전압 또는 더 높은 램프 임계 값을 가진다.

한편, 비교기(4)의 출력은 제1 TDC(7)에 (직접) 연결되고, 다른 한편으로 제2 TDC(8)에 (간접) 연결된다. 여기서, 비교기 신호는, 비교기 신호를 반전(invert)하여 제2 TDC(8)로 전달하는 인버터(9)를 먼저 통과한다.

시작 펄스는 마찬가지로 시작 신호 입력부(3)에서 제1 TDC(7) 및 제2 TDC(8)로 전달되므로 신호 펄스의 "시작"은 측정 사이클을 시작시킨다.

제1 TDC(7)는, 시작 신호 입력부(3)로부터 수신되는 시작 신호와 관련하여, 아날로그 입력부(2)에서 오는 아날로그 입력 신호가 램프 신호를 넘어서 상승하여 후자를 상단으로 교차할 때 시간 인스턴스(또는 시간 인터벌)를 측정한다.

제2 TDC(8)는, 시작 신호 입력부(3)로부터 수신된 시작 신호와 관련하여, 반전된 비교기 신호를 수신하고 아날로그 입력부(2)에서 오는 아날로그 입력 신호가 램프 신호 아래로 떨어져서 후자를 하단으로 교차할 때 시간 인스턴스(또는 시간 인터벌)를 측정한다.

각각의 경우 제1 및 제2 TDC(7, 8)는 측정 결과(출력)를 히스토그램 블록 (10)에 출력한다.

이러한 측정 프로세스는 램프 카운터(5)가 지정된 값에 도달할 때까지 그리고 히스토그램 블록(10)에 존재하는 시간-상관된 측정 결과가 히스토그램 블록(10)에서 평가될 수 있을 때까지 실행된다.

램프 카운터(5)는 또한 램프 임계 값에 대응하는 (스캐닝 사이클 카운터 값에 대응하는) 디지털 카운터 값을 히스토그램 블록(10)에 출력하는데, 여기서 램프 임계 값은 초기에 낮고 프로세스 중에 상승한다.

각 측정 사이클이 시작될 때 모든 히스토그램 값은 히스토그램 블록(10)에서 "0"으로 초기화된다.

아날로그 입력 신호가 램프 신호보다 높은 시간 인터벌은 히스토그램 블록의 히스토그램에 저장된다. 여기에서 서로 다른 램프 전압을 가지는 모든 측정은 시작 신호에 의해 결정된 "0" 시점을 기준으로 한다. 따라서 아날로그 입력 신호는 램프 신호를 초과하는 경우 각 스캔 사이클에서 0 ~ N 시간 인터벌을 가질 수 있다.

아날로그 입력 신호가 스캔 사이클에서 램프 신호를 초과할 때마다 히스토그램의 빈(bin)들의 해당하는 영역이 램프 카운터(5)의 현재 카운터 값으로 채워진다. 여기서 아날로그 입력 신호가 램프 신호 위에 있을 때 더 작은 값들은 연속되는 사이클에서 더 큰 값으로 덮어 써진다.

언급한 바와 같이, 램프 생성은 램프 카운터(5)가 최대 값에 도달하고 히스토그램 블록(10)의 히스토그램의 데이터가 평가를 위해 준비될 때 종료되며, 대응하는 파형 출력(11)은 평가 후에 발생할 수 있다.

램프 카운터(5)가 리셋되고 히스토그램 블록(10)의 히스토그램이 "0"값으로 채워지면, 측정 사이클이 다시 시작된다.

AD 컨버터(1)에 의해 발생할 수 있는 이러한 측정 사이클은, 상단에 AD 컨버터(1)의 TDC(7)의 출력(20) 및 하단에 히스토그램 블록(10)에서 생성되는 것과 같은 TC 히스토그램(TC = 시간 상관된)(21)을 나타내는 도 2를 참조하여 지금부터 설명된다.

이러한 예시적인 실시예의 경우, 6개의 램프 값이 있으며, 여기서 제1 TDC(7)의 출력(20)은 세로축에 6개의 램프 값에 대한 엔트리(entries)를 가지고, 가로축에 시간을 나타낸다. 제1 TDC(7)에 의한 아날로그 입력 신호의 스캔은 출력(20)에 대해 12 개의 엔트리를 생성한다.

TC 히스토그램(21)은 완전한 측정 사이클 이후의 상태를 보여준다. 여기서도 6 개의 서로 다른 램프 값에 해당하는 6 개의 값들이 세로 좌표 상에 있으며, 시작 "0" 이후 경과 한 시간에 따라 빈들이 가로 좌표 상에 배치된다.

TC 히스토그램(21)의 빈들은 아날로그 입력 신호가 램프 신호 위에 있을 때마다 램프 신호의 값으로 채워지는 반면, 아날로그 입력 신호가 램프 신호 아래에 있는 시점에 빈들은 그대로 유지된다. 따라서 TC 히스토그램(21)의 코스는 대략 사인(sine) 또는 가우스 곡선(Gauss curve)에 대응한다.

도 3을 참조하여 후술되는 바와 같이, 순차 스캐닝(sequential scanning)은 시간 지터링에 민감한 방식으로 반응할 수 있으며, 일부 예시적인 실시예들의 경우, AC 컨버터(1)의 히스토그램 블록(10)은 도 1에 따라 구성되어 시간 지터 성능이 향상된다.

시간 지터 효과는 도 3에 나타나 있으며, 이는 제1 TDC(7)의 출력(25)을 상단에 (보정되지 않은) 시간 지터링의 영향에 있는 히스토그램 블록(10)에서 생성된 결과 TC 히스토그램(26)을 하단에 나타낸다.

참조 번호 25a의 경우와 같이 출력(25)의 스캔 값 "3"에 대해 네가티브 스캐닝 시간 지터링(negative scanning time jittering)이 발생하여, 25a에서 시간 측면에서 스캔 값 "3"이 너무 일찍 스캔되고, 따라서 해당하는 TDC 출력 신호의 시작과 끝은 1회 인스턴스 만큼 왼쪽으로 (이전으로) 이동한다.

참조 번호 25b의 경우와 같이 출력(25)의 스캔 값 "4"에 대해 포지티브 스캐닝 시간 지터링(positive scanning time jittering)이 발생하여, 25b에서 시간 측면에서 스캔 값 "4"가 너무 늦게 스캔되고, 따라서 해당하는 TDC 출력 신호의 시작과 끝은 1회 인스턴스 만큼 오른쪽으로 (이후로) 이동한다.

끝에서 TC 히스토그램(26)에 최대 값을 입력하는 방식으로 진행하면, 3 번째 빈에서 값(26a)이 값 "1"(도 2 참조, 거기서 3 번째 빈은 값 "1"을 가진다)에서 값 "3"으로 증가하고, 5 번째 빈에서 값(26b)은 값 "4"(도 2)에서 값 2로 낮아지며, 마지막에서 3 번째 빈의 값(26c)은 값 "1"(도 2)에서 값 "4"로 증가한다.

도 2의 TC 히스토그램(21)의 코스를 도 3의 TC 히스토그램(26)의 코스와 비교할 때, 시간 지터링으로 인해 TC 히스토그램(26)이 도 2의 TC 히스토그램(21)보다 사인 패턴과 덜 유사하다는 것이 명백해진다.

도 4를 참조하여 아래에서 AD 컨버터(1)의 히스토그램 블록(10)에 의해 제공될 수 있는 다음 측정에 의해 시간 지터링에 대한 민감도가 개선되는 경우에 대한 예시적인 실시예를 설명한다.

시간 인스턴스 T의 스캔은 레벨 N(램프 임계 값)에서 수행되고, 시간 인스턴스 T에서 TC 히스토그램(메모리)의 새로운 값은 Fh(T, N)과 같다고 가정한다.

다음 규칙(1)이 이제 제공된다:

(if) 이전 히스토그램 값이 Fh(T,N-1)=N-1이면, Fh(T,N)=N이고, (else) 그렇지 않으면 Fh(T,N)=combination(Fh(T,N-1),N)이다.

도 2를 참조하여 설명한 방법은, 값들이 최대로 조합된 것, 즉 combination(A,B)=B, 즉 빈 값(bin value)은 항상 가장 큰 값으로 설정되게 적용되고, 따라서 시간 지터링에 민감할 수 있다.

이에 반해 본 실시예의 경우에는 (A,B)=(A+B)/2 라는 규칙(2)이 적용되는데, 즉 새로운 값은 A 및 B 값들로부터 평균값에 해당하고, "50% 조합 방법"이라고도 한다.

다른 예시적인 실시예의 경우, combination(A,B) = truncated((A+B)/2) 이 대안으로 제공되며, 이는 오른쪽으로 한 빈만큼의 이동에 대응하며, 여기서 소수(fraction)는 무시된다.

또한 B-A 간의 차이에 의존하고, 이를 기초로 시간 지터링의 효과를 줄이기 위해 히스토그램 값이 보정되는 비선형 영상 함수(imaging function)가 사용되는 대안적인 예시적인 실시예가 또한 제공될 수도 있다.

도 4는 상단에 도 3과 연결하여 이미 설명된 바와 같이 대응하는 시간 지터링에 영향을 받은 제1 TDC(7)의 출력(25)을 다시 한번 나타낸다.

도 4, 하단은 위에서 언급한 측정, 즉 규칙(1) 및 (2)를 적용하여 생성된 결과 TC 히스토그램(30)을 나타내며, 여기서 시간 지터링의 효과는 도 3의 TC 히스토그램(26)에 비해 감소된다.

30a에서 스캔 값(도 3의 26a에서 값 참조)은 값 "3"(도 3의 26a)에서 값 "2"(도 4의 30a)(원래는 "1")로 감소한다.

도 2에서 26b에서의 값에 해당하는 스캔 값은 값 "3"으로 유지되고, 따라서 변경되지 않는다(원래는 "4").

30b에서 스캔 값은 "4"에서 "3"으로 감소한다(원래는 "4").

30c에서 스캔 값은 "3.5"(도 3의 26c 참조)에서 "2.5"(원래는 "1")로 감소한다.

도 5는 규칙(1)과 (2)를 적용한 결과(가장 우측, TC 히스토그램(30))를 시간 지터링을 그대로 둔 일반 (최대) 조합 방법(중간, TC 히스토그램(26)) 및 가장 좌측 상에 시간 지터링 없을 때(TC 히스토그램(21))와 비교한 결과를 보여준다.

단순하게 최대 값을 가정하고 시간 지터링에 대응하여 도 5의 중간에 도시된 TC 히스토그램(26)을 생성하는 경우에서 설명된 조합 방법의 애플리케이션(application)보다, 제안된 "50% 조합 방법"(규칙 (2))이 시간 지터링 없는 TC 히스토그램(21)의 원래 코스에 더 가까운 TC 히스토그램(30)을 생성한다는 것을 도 5로부터 얻을 수 있다.

도 5의 중간에 표시된 최대 조합 방법은, 신호의 형태뿐만 아니라 시간 지터링을 나타내기 때문에, 히스토그램의 코스의 형태를 넓히고 개별 빈 사이의 값들의 경우 더 큰 단계를 생성하는 경향이 있다.

50 % 조합 방법은 시간 지터 통계에 따라 상승 및 하강 시간을 늘리는 경향이 있다.

도 6은 아날로그-디지털 컨버터(40)의 또 다른 예시적인 실시예의 회로도를 도시하며, 이하에서는 간단히 AD 컨버터(40)라고 한다.

상술한 바와 같이, AD 컨버터(40)는 일반적으로 주기적이고 적어도 두 번 반복되는 모든 신호의 경우 변경되지 않고 사용될 수 있으며, 본질적으로 위에서 상세히 설명된 AD 컨버터(1)에 대응한다.

일부 예시적인 실시예들에서, 입력 신호의 상승 신호 측면(flank)을 스캔하는 것이 중요하다. LIDAR 측정 시스템에서는 예를 들어 광학 레이저의 선두 신호 측면(leading signal flank)을 스캔하는 것이 중요하다.

이러한 예시적인 실시예의 경우, 아날로그 (입력) 신호가 변환되기 전에 AD 변환을 시작하기 위해 사전 활성화 신호가 제공된다. 이 사전 활성화 신호는 예를 들어 시작 신호 3ns 전에 전송되며, 본 발명을 이 예로 제한하지는 않는다.

AD 컨버터(40)는 변환될 아날로그 신호가 입력되는 아날로그 입력부(41)를 가지고, 펄스 생성기에서 발생하며 LIDAR 측정 시스템의 광 펄스 생성에도 사용되는예를 들어, 주기적인 시작 신호 또는 펄스 신호가 각각 인가되는 시작 신호 입력부(51)를 가진다.

AD 컨버터(40)는 언급 된 바와 같이 예를 들어 시작 신호의 3ns 전에 전송되는 사전 활성화 신호가 인가되는 사전 활성화 신호 입력부(42)를 더 가진다.

AD 컨버터(40)는 아날로그 입력부(41)에서 수신되는 아날로그 신호를 아날로그 램프 신호와 비교하기 위한 비교기(43)를 더 가진다.

이 예시적인 실시 예에서, 아날로그 램프 신호는 상승 톱니 모양을 가지고, 대략 0 볼트에서 시작하고 지정된 최대 값까지 상승한다. 램프 신호의 상승 기간은 여기에서 펄스 생성기 주파수의 고정 배수를 기초로 하며, 예를 들어 7 비트의 유효 분해능으로 스캔하기 위해 framp = 1/128*fpulse 이다. 여기서 "framp"는 램프 신호의 주파수이고, "fpulse"는 사전 활성화 신호 입력부(42)를 통해 수신되는 펄스 신호의 주파수이다.

램프 신호는 디지털-아날로그 컨버터(45)(이하 DA 컨버터라고 함)에 연결된 램프 카운터(44)를 통해 생성된다.

램프 카운터(44)는 사전 활성화 신호 입력부(42)를 통해 수신되는 각각의 수신된 사전 활성화 신호와 함께 카운터를 하나씩 증가 시킨다. 수신된 이진 값이 DA 컨버터(45)로 전달되어, 이진 값에 해당하는 램프 신호가 생성되므로, 이진 값이 증가함에 따라 각각 더 높은 램프 전압 또는 더 높은 램프 임계 값을 가진다.

한편, 비교기(43)의 출력은 제1 TDC(46)에 (직접) 연결되고, 다른 한편으로 제 2 TDC(47)에 (간접) 연결되며, 비교기 신호는, 비교기 신호를 반전하여 제2 TDC(47)로 전달하는 인버터(48)를 먼저 통과한다.

사전 활성화 신호는 마찬가지로 사전 활성화 신호 입력부(42)로부터 제1 TDC(46) 및 제2 TDC(47)로 전달되므로, 사전 활성화 신호는 스캐닝을 시작시킨다.

제1 TDC(46)는, 사전 활성화 신호 입력에서 수신된 사전 활성화 신호와 관련하여, 아날로그 입력부(41)에서 오는 아날로그 입력 신호가 램프 신호를 넘어서 상승하여 후자를 상단으로 교차할 때 시간 인스턴스(또는 시간 인터벌)를 측정한다.

제2 TDC(47)는, 사전 활성화 신호 입력부(42)로부터 수신되는 사전 활성화 신호와 관련하여, 반전된 비교기 신호를 수신하고 아날로그 입력부(41)에서 오는 아날로그 입력 신호가 램프 신호 아래로 떨어져서 후자를 하단으로 교차할 때 시간 인스턴스(또는 시간 인터벌)를 측정한다.

제1 및 제2 TDC(46, 47)는 각각의 경우에 측정 결과(출력)를 TDC(46 및 47)의 출력을 시작 신호(51)와 동기화하는 싱크로나이저(synchronizer)(50)에 출력한다.

싱크로나이저(50)는 t_diff(SC) = t_Start - t_pre-activation 에 의해 각 측정 사이클에 대한 사전 활성화 신호와 시작 신호 사이의 시간 지연(time lag)을 결정한다. 여기서 t_diff(SC)는 싱크로나이저(50)에서 측정된 시작 신호와 사전 활성화 사이의 시간 지연이고, t_Start는 시작 신호의 시점이고, t_pre-activation은 사전 활성화 신호의 시점이다.

시점 t_Start 및 t_pre-activation은 시간 t_nominal에 의해 결정되며, 이는 적어도 시작 신호 및 사전 활성화 신호의 최대 측정 시간 지연, 즉 t_nominal> max (t_diff(SC)) 만큼 크다. 값 t_nominal은 각 측정 사이클에서 상수 시간 값(constant time value)으로서 히스토그램 블록(49)에 저장된다.

싱크로나이저(50)는 상수 시간 값 t_offset (SC) = t_nominal - t_diff(SC)을 TDC(46 및 47)의 출력에 가산한다는 점에서 각 측정 사이클의 측정 값을 동기화한다.

이 측정 프로세스는 램프 카운터(44)가 지정된 값에 도달할 때까지, 그리고 히스토그램 블록(49)에 존재하는 시간-상관된 측정 결과가 히스토그램 블록(49)에서 평가 될 수 있을 때까지 계속된다.

램프 카운터(44)는 또한 램프 임계 값에 대응하는 디지털 카운터 값을 히스토그램 블록(49)에 출력하는데, 여기서 램프 임계 값은 초기에 낮고 프로세스 중에 상승한다.

각 측정 사이클이 시작될 때 모든 히스토그램 값은 히스토그램 블록(49)에서 "0"으로 초기화된다.

아날로그 입력 신호가 램프 신호보다 높은 시간 인터벌은 히스토그램 블록 (49)의 히스토그램에 저장된다. 여기에서 서로 다른 램프 전압을 가지는 모든 측정은 사전 활성화 신호에 의해 결정된 "0" 시점을 기준으로 한다.

아날로그 입력 신호가 램프 신호를 초과할 때마다 히스토그램의 해당 빈 영역이 램프 카운터(5)의 현재 카운터 값으로 채워진다. 여기서 아날로그 입력 신호가 램프 신호 위에 있을 때 더 작은 값들은 연속되는 사이클에서 더 큰 값으로 덮어 써진다.

램프 카운터(44)가 최대 값에 도달하면, 언급 된 바와 같이 램프 생성이 종료되고, 히스토그램 블록(49)의 히스토그램의 데이터가 평가를 위해 준비되며, 대응하는 파형 출력(52)이 평가 후에 발생할 수 있다.

측정 사이클은 램프 카운터(44)가 리셋되고 히스토그램 블록(49)의 히스토그램이 "0" 값으로 채워져서 다시 시작된다.

1 아날로그-디지털 컨버터
2 아날로그 입력부
3 시작 신호 입력부
4 비교기
5 램프(ramp) 카운터
6 DA 컨버터
7 제1 TDC
8 제2 TDC
9 인버터
10 히스토그램 블록
11 파형 출력
20 제1 TDC(7)의 출력
21 TC 히스토그램
25 시간 지터링을 가지는 제1 TDC(7)의 출력
26 TC 히스토그램
30 TC 히스토그램
40 아날로그-디지털 컨버터
41 아날로그 입력부
42 사전 활성화 신호 입력부
43 비교기
44 램프 카운터
45 디지털-아날로그 컨버터(45)
46 제1 TDC
47 제2 TDC
48 인버터
49 히스토그램 블록
50 싱크로나이저(synchronizer)
51 시작 신호 입력부
52 파형 출력

Claims

아날로그-디지털 컨버터(1)에서,
아날로그 신호를 수신하기 위한 아날로그 입력부;
제1 시간-디지털 컨버터(7); 및
히스토그램 블록(10); 을 포함하고,
상기 제1 시간-디지털 컨버터(7)는 램프(ramp) 신호에 기초하여 상기 아날로그 신호를 스캔하고 상기 히스토그램 블록(10)에 출력(20, 25)을 전달하며, 상기 히스토그램 블록(10)은 이를 기초하여 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)을 생성하는 아날로그-디지털 컨버터.
제 1 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 히스토그램 블록(10)은 시간 지터링 효과를 줄이기 위해 상기 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)을 보정하도록 구성되는 아날로그-디지털 컨버터.
제 2 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 시간 지터링 효과는 상기 제1 시간-디지털 컨버터(7)의 상기 출력(25)에서 시간 이동된 값들을 발생시키는 아날로그-디지털 컨버터.
제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 히스토그램 블록(10)은 서로 다른 출력들(20, 25)로부터 값들을 조합하는 아날로그-디지털 컨버터.
제 4 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 출력의 상기 최대값이 상기 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)을 채우도록 상기 값들이 조합되는 아날로그-디지털 컨버터.
제 4 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 평균 값으로 상기 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)을 채우도록 상기 값들이 조합되는 아날로그-디지털 컨버터.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 값들은 함수에 기초하여 조합되는 아날로그-디지털 컨버터.
제 7 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 함수는 비선형인 아날로그-디지털 컨버터.
제 8 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 함수는 상기 값들의 상기 차이에 종속되는 아날로그-디지털 컨버터.
제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 시간-상관된 히스토그램(21, 26, 30)에서 값들이 적어도 1회 시간 인스턴스만큼 이동되는 아날로그-디지털 컨버터.
상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 주기적인 시작 신호를 수신하기 위한 시작 신호 입력부(3)를 더 포함하는 아날로그-디지털 컨버터.
제 11 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 주기적인 시작 신호에 기초하여 카운터 값을 생성하는 램프 카운터(5)를 더 포함하는 아날로그-디지털 컨버터.
제 12 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 카운터 값에 기초하여 상기 램프 신호를 생성하는 디지털-아날로그 컨버터(6)를 더 포함하는 아날로그-디지털 컨버터.
상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서, 상기 램프 신호와 상기 아날로그 신호를 비교하고, 상기 제1 시간-디지털 컨버터(7)로 비교기 신호를 출력하는 비교기(4)를 더 포함하는 아날로그-디지털 컨버터.
상기 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 아날로그-디지털 컨버터에서,
제2 시간-디지털 컨버터(8)를 더 포함하고,
상기 제1 시간-디지털 컨버터(7)는 상기 아날로그 신호가 상기 램프 신호의 위에 있는 시간 인터벌을 캡처하고, 상기 제2 시간-디지털 컨버터(8)는 상기 아날로그 신호가 상기 램프 신호 아래에 있는 시간 인터벌을 캡처하는 아날로그-디지털 컨버터.