一种应用于飞行时间传感器的时间数字转换器及T2B译码器

本发明涉及时间数字转换器技术和fpga数字电路，具体涉及一种应用于飞行时间传感器的时间数字转换器及t2b译码器。

背景技术：

1、时间数字转换器(time-to-digital converter，tdc)是一种将时间量转化为数字量以实现一个事件发生时刻的记录的功能器件；对于两个事件之间的时间间隔的测量，一般可以由两个tdc分别测量两个事件的发生时刻，两个发生时刻的差值就是该两个事件的时间间隔。因此技术特性，tdc在飞行时间(time of flight，tof)测量领域被广泛使用。在激光tof传感器中，入射信号和回波信号携带着传感器捕获的时间信息，通常达到亚纳秒甚至皮秒级别。因此，tdc的分辨率直接决定了tof传感器的性能，而tdc性能的提高将拓展tof传感器的应用前景。

2、tdc有模拟和数字两种实现方法。在早期阶段，数字tdc一般由特定应用集成电路(asic)实现。随着可编程门电路(field programmable gate array，fpga)的发展，fpga由于具有高灵活性和短开发周期的优势而被广泛关注。早期的tdc多为计数型tdc，但应用场景对tdc的分辨率要求正在不断提高，仅使用计数型tdc想要达到亚纳秒甚至皮秒级分辨率十分困难，为此研究人员发明了一系列时间内插方式对tdc的分辨率进行提高，如抽头延迟线法、wave union，多相位法、伪插值法(psdl)等方案，这些方案都能使得tdc的分辨率和精度低于一个时钟周期。

3、基于fpga的时间数字转换器通常由环形振荡器，延迟链，温度计转二进制(thermometer code to binary code，t2b)译码器，粗时钟计数器等部分组成，其中，以环形振荡器作为系统时钟，粗时钟计数器通常以系统时钟的上升沿信号触发进行周期计数，延迟链和温度计转二进制译码器联合组成细时钟计数器，与粗时钟计数器配合进行时间测量。在基于fpga的时间数字转换器中，延迟链输出的抽头信号是一种温度计码，需要一种t2b译码器将温度计码转换为二进制码才能用于后续数值计算。t2b译码器的精度与速度在很大程度上影响着时间数字转换器的测量精度和速度。然而由于各种原因，抽头输出的温度计码可能会出现不规则现象，即所谓“气泡”。例如，fpga芯片在制造过程中存在工艺偏差，使进位链中进位单元的延迟时间不一致，以xilinx artix 7系列fpga为例，每4个相邻的进位单元中就会出现一个进位时间为91ps的延迟，由于该进位单元的进位时间较大，可能不满足触发器建立时间，导致抽头值不能被正常锁存。而其下一级进位单元的进位时间比较小，抽头信号可以被触发器正确锁存，导致温度计码有效位的末端出现气泡现象。又例如，fpga时钟网络中的时钟信号不可能同时到达每一个触发器，而是存在一定的时钟偏移，如果进位链中用于锁存进位信号的相邻两级触发器的时钟偏移较大，后一级触发器比前一级触发器提前进行锁存，同样会导致气泡现象。严重的气泡现象会大幅降低温度计码转二进制码译码处理的精度，进而影响时间数字转换器精度，给温度计码转二进制码电路的设计带来很大困难。因此，如何有效解决气泡问题对测量的影响，是tdc和t2b译码器设计的重要研究方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种应用于飞行时间传感器的时间数字转换器，能够有效解决气泡问题对测量的影响，提升时间数字转换器的分辨率与精度，进而帮助其应用于飞行时间传感器测量时降低受到外界因素对测量性能的影响。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种应用于飞行时间传感器的时间数字转换器，包括粗时钟计数器，所述粗时钟计数器以系统时钟信号进行周期计数，用于通过计数得到待测信号的粗时间测量二进制码；还包括阶跃信号发生器、抽头延迟链、触发器阵列、温度计转二进制译码器、码密度校准电路以及计算处理电路；

4、所述阶跃信号发生器用于在待测信号的时间戳触发下产生阶跃信号，并传送至抽头延迟链；

5、所述抽头延迟链由多个延迟单元组成，且每个延迟单元均设置有抽头，用于根据阶跃信号对待测信号进行延时缓存，并能够通过抽头对外提供数据读取；

6、所述触发器阵列用于在系统时钟信号的上升沿触发下锁存抽头延迟链中的各抽头状态，并通过抽头读取得到带有待测信号的延迟信息的温度计码，传送至所述温度计转二进制译码器；

7、所述温度计转二进制译码器用于观测搜索所述温度计码中抽头状态的变化边界位置，并根据所述变化边界位置统计被锁存在抽头延迟链中抽头状态为1的数量，表示为数量二进制码，传送至码密度校准电路；

8、所述码密度校准电路用于采用码密度测试的方式对抽头延迟链中每个延迟单元的延迟时间进行校准，并结合所述数量二进制码所指示的抽头延迟链中抽头状态为1的数量，统计得到待测信号的细时间测量二进制码；

9、所述计算处理电路用于根据所述粗时间测量二进制码和所述细时间测量二进制码进行计算，得到作为输出的时间测量结果。

10、上述应用于飞行时间传感器的时间数字转换器中，作为优选方案，所述抽头延迟链由fpga中的多个超前进位结构carry4作为延迟单元构成，每个延迟单元包含四个级联的二路复用器，每个二路复用器的输出端均设置有抽头。

11、上述应用于飞行时间传感器的时间数字转换器中，作为优选方案，所述温度计转二进制译码器以抽头延迟链中每个延迟单元的第一个抽头作为观测点，对温度计码中抽头状态的变化边界位置进行观测搜索。

12、上述应用于飞行时间传感器的时间数字转换器中，作为优选方案，所述温度计转二进制译码器包括：

13、抽头观测单元，获取抽头延迟链中各抽头锁存形成的温度计码a；并以抽头延迟链中每个延迟单元的第一个抽头作为观测点，抽出组成观测序列子温度计码b；

14、观测序列查找表，用于统计观测序列子温度计码b中抽头状态为1的数量，记为二进制的选择信号sel；

15、选择处理单元，利用所述选择信号sel对所述温度计码a进行码位选择，选择出温度计码a中锁存的最后s个码位，二进制数s＝sel＜＜2+100b，抽出组成气泡抽头子温度计码c；其中，100b表示4的二进制值；

16、气泡抽头查找表，用于分别统计气泡抽头子温度计码c中前4个码位中抽头状态为1的数量、以及后sel＜＜2-1个码位中抽头状态为0的数量，分别记为二进制数p和二进制数q；

17、统计处理单元，用于统计计算被锁存在抽头延迟链中抽头状态为1的数量，并表示为数量二进制码result进行输出：

18、result＝sel＜＜2+p-q；

19、sel＜＜2为选择信号sel左移2位后所表示的数值。

20、上述应用于飞行时间传感器的时间数字转换器中，作为优选方案，所述气泡抽头查找表的具体处理方式是：

21、查找观测序列子温度计码b中抽头状态的01变化边界位置，将该变化边界位置中抽头状态为0的码位在气泡抽头子温度计码c中所对应的码位判定为边界0码；

22、然后，统计气泡抽头子温度计码c中边界0码之前的4个码位中抽头状态为1的数量，记为二进制数p；统计气泡抽头子温度计码c中边界0码之后的sel＜＜2-1个码位中抽头状态为0的数量，记为二进制数q。

23、上述应用于飞行时间传感器的时间数字转换器中，作为优选方案，所述码密度校准电路计得到待测信号的细时间测量二进制码的方式为：

24、

25、tx为输出的待测信号的细时间测量二进制码，τi表示抽头延迟链中第i个抽头状态为1的延迟单元校准后的延迟时间，i＝1,2,…,k，k表示抽头延迟链中抽头状态为1的数量。

26、本发明还提供一种温度计转二进制译码器，应用于时间数字转换器，所述时间数字转换器的抽头延迟链由fpga中的多个超前进位结构carry4作为延迟单元构成，每个延迟单元包含四个级联的二路复用器，每个二路复用器的输出端均设置有抽头；所述温度计转二进制译码器以抽头延迟链中每个延迟单元的第一个抽头作为观测点，进行对温度计码中抽头状态的变化边界位置进行观测搜索；所述温度计转二进制译码器包括：

27、抽头观测单元，获取抽头延迟链中各抽头锁存形成的温度计码a；并以抽头延迟链中每个延迟单元的第一个抽头作为观测点，抽出组成观测序列子温度计码b；

28、观测序列查找表，用于统计观测序列子温度计码b中抽头状态为1的数量，记为二进制的选择信号sel；

29、选择处理单元，利用所述选择信号sel对所述温度计码a进行码位选择，选择出温度计码a中锁存的最后s个码位，二进制数s＝sel＜＜2+100b，抽出组成气泡抽头子温度计码c；其中，100b表示4的二进制值；

30、气泡抽头查找表，用于分别统计气泡抽头子温度计码c中前4个码位中抽头状态为1的数量、以及后sel＜＜2-1个码位中抽头状态为0的数量，分别记为二进制数p和二进制数q；

31、统计处理单元，用于统计计算被锁存在抽头延迟链中抽头状态为1的数量，并表示为数量二进制码result进行输出：

32、result＝sel＜＜2+p-q；

33、sel＜＜2为选择信号sel左移2位后所表示的数值。

34、上述的温度计转二进制译码器中，作为优选方案，所述气泡抽头查找表的具体处理方式是：

35、查找观测序列子温度计码b中抽头状态的01变化边界位置，将该变化边界位置中抽头状态为0的码位在气泡抽头子温度计码c中所对应的码位判定为边界0码；

36、然后，统计气泡抽头子温度计码c中边界0码之前的4个码位中抽头状态为1的数量，记为二进制数p；统计气泡抽头子温度计码c中边界0码之后的sel＜＜2-1个码位中抽头状态为0的数量，记为二进制数q。

37、上述的温度计转二进制译码器中，作为优选方案，所述码密度校准电路计得到待测信号的细时间测量二进制码的方式为：

38、

39、tx为输出的待测信号的细时间测量二进制码，τi表示抽头延迟链中第i个抽头状态为1的延迟单元校准后的延迟时间，i＝1,2,…,k，k表示抽头延迟链中抽头状态为1的数量。

40、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

41、1、本发明应用于飞行时间传感器的时间数字转换器，采用了抽头延迟链、触发器阵列、温度计转二进制(t2b)译码器和码密度校准电路组成细时钟计数电路，与粗时钟计数器一起协同进行待测信号的时间测量；在细时钟计数电路中采用抽头延迟链，借其抽头设置观测点，通过观测点以试图找到其中无气泡的子温度计码，借助该无气泡的子温度计码来观测搜索原始温度计码中抽头状态的变化边界位置，从而找出锁存抽头延迟链中抽头状态为1的数量，实现精确的二进制译码，消除气泡问题干扰。

42、2、本发明还通过对该延迟链的“气泡”问题规律进行研究，借助其规律来观测无气泡的子温度计码，从而准确搜索原始温度计码中抽头状态的变化边界位置，以实现温度计转二级制的精准译码，解决“气泡”干扰问题。

43、3、使用本发明方案设计能完成在线码密度校准的单链、4链、伪分段延迟链(psdl)的tdc系统设计，并对三种tdc进行测量精度测试，三种tdc系统对tof传感器测量精度都得到不同程度的优化。