[發明專利]一種抗PVT變化的高精度時間數字轉換器及其實現方法

有效

• 申請號: 202210309081.8
• 申請日: 2022-03-28
• 公開（公告）號: CN114967409B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 郭建平;安彥吾
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G04F10/00
• 分類號: G04F10/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 梁嘉琦

本發明公開了一種抗PVT變化的高精度時間數字轉換器及其實現方法，采用兩個數控環形游標TDC模塊分別對START時間余量和STOP時間余量進行測量，避免了復用后級精測量級時后級死區時間造成的影響，可以測量很小的時間間隔，提高了測量分辨率；使用片上鎖相環，在片上產生精準的時鐘信號，克服了溫度和電壓變化對TDC分辨率的影響；使用單獨校準的數控環形游標TDC模塊，能夠同時對START時間余量和STOP時間余量進行測量，又因為使用了逐次逼近校準邏輯對數控環形振蕩器的振蕩頻率進行了調整，解決了兩個數控環形TDC模塊內部的失配問題，可以得到準確的測量時間，提高了測量精度，可廣泛應用于時間數字轉換器技術領域。

技術領域

本發明涉及時間數字轉換器技術領域，尤其涉及一種抗PVT變化的高精度時間數字轉換器及其實現方法。

背景技術

飛行時間激光雷達可以達到較高的測量距離和較快的測量速度，在測距領域具有良好的應用價值。激光雷達的測量精度直接取決于其中電路對發射激光脈沖信號和接收到的反射激光脈沖信號之間時間差的測量精度。在空氣中，100ps的飛行時間對應1.5cm的測量精度，要達到亞厘米的距離測量，要求時間數字轉換器的精度達到幾十ps級別，所以高精度的時間數字轉換器必不可少。

傳統的環形振蕩器型TDC(時間數字轉換器)的結構如圖1所示，由一個環形振蕩器、一個相位記錄電路、一個計數器、一個脈沖產生電路和一個加法器組成，其中，脈沖產生電路產生使能信號，接相位記錄電路和環形振蕩器的使能端，當START信號輸入時，使能相位記錄電路和環形振蕩器，環形振蕩器的最后一相輸出接計數器，對振蕩器的振蕩周期進行計數；直到STOP信號輸入，脈沖產生電路輸出低，停止使能相位記錄電路和環形振蕩器，且讓相位記錄電路記錄下當前環形振蕩器的相位狀態；最后通過加法器對計數器和相位記錄電路輸出的相位狀態進行計算，得到TDC的輸出值。在傳統的基于環形振蕩器的TDC中，電路的分辨率直接取決于環形振蕩器的振蕩頻率，在振蕩器頻率達到1GHz的情況下，這種結構的TDC也僅能達到333.3ps的測量精度，應用于測距應用中只能達到5cm左右的測量精度；且環振的頻率容易受到PVT(process、voltage、temperature，即工藝角、電壓和溫度)變化的影響，導致測量的分辨率不恒定。

傳統的游標型TDC的結構如圖2所示，它由兩個環形振蕩器(START信號控制的環振頻率較低稱為慢環、STOP信號控制的環振頻率較高稱為快環)、多個邊沿超越檢測電路(Ealy?Late?Detector)、兩個計數器和計算電路組成。START信號輸入后，慢環起振，計數器1記錄下慢環的振蕩周期數；在STOP輸入后，計數器2記錄下快環的振蕩周期數，同時因為快環的振蕩頻率更高，每經過振蕩器中一級延遲單元，快環和慢環中同節點的上升沿間的時間間隔減少一點，在快環中的上升沿超越慢環中的上升沿時，觸發ELD電路，記錄下當前的位置，同時停止環振；計算單元再根據計數器1、計數器2和Aout的值對結果進行計算。這種游標型TDC的測量精度較高，但同樣的，兩個環形振蕩器的頻率容易受到PVT變化的影響，導致分辨率的變化，且當ELD級數不是二進制整數時，計算的邏輯較為復雜。

由上可知，傳統的兩種時間數字轉換電路均無法克服PVT變化的影響從而達到穩定的、較高的測量分辨率。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的在于：克服現有時間數字轉換器中分辨率容易受PVT變化的影響以及輸入START信號與STOP信號要求的最小時間間隔較長的缺點，提供一種高測量分辨率的抗PVT變化的高精度時間數字轉換器及其實現方法。

本發明所采用的第一技術方案是：