【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于光電探測/三維激光雷達，涉及光電焦平面，尤其涉及一種零進位失配可擴展位數型高精度光子飛行時間計時電路。
技術介紹
1、光子飛行時間計時主要用于主動激光探測領域，通過統計光子從發射到被目標反射回探測器所經過的時間，得到主動光源-目標-探測器之間的路徑長度來完成三維距離探測。高精度計時電路通過寄存器之間的進位傳播、輸出分頻和數據反饋等方式實現碼值間的狀態轉換，寄存器的電學延遲限制了計時精度、計時范圍等關鍵性能參數的進一步提升，主要存在以下幾種情況：
2、1、進位失配，進位失配來自于計時電路寄存器之間的翻轉時刻偏差、異步光子事件響應引起的亞穩態等，造成計時量化高位誤碼、計時結果非單調，已有的延遲采樣型電路在高位翻轉一段時間后采樣高位計數器，存在采樣頻率低導致的采樣不及時問題；已有的多次校準采樣型電路需要多組緩存器實現采樣數據緩存，存在緩存壓力大的問題；
3、2、計時范圍限制，采用apd光敏元的光電焦平面可實現近單光子靈敏度，典型應用場景為百公里距離范圍目標探測。通過擴展寄存器位數來滿足計時范圍，不同位的狀態轉換延遲隨寄存器級數增加，限制了大計時范圍下的最高計時精度；
4、3、陣列擴展性，遠距離的目標識別需要大的光敏元陣列規模和分辨率，受電路功耗和像素面積限制，計時結果的精度和保存位數難以同時保存，已有的共享型、折疊型等結構的計時電路，將部分寄存器放置于像素區域外圍，導致信號傳播路徑更長，限制了高精度計時電路在更大陣列規模器件的應用。
技術實現思路p>
1、有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種零進位失配可擴展位數型高精度光子飛行時間計時電路，解決計時電路應用于更大陣列規模器件時面臨的計時量化高位誤碼、計時結果非單調和計時精度下降的問題，擴大時間量化范圍，提高實際應用中讀出電路的計時精度。
2、為達到上述目的，本專利技術提供如下技術方案：
3、一種零進位失配可擴展位數型高精度光子飛行時間計時電路，其核心部分為像素電路架構，該架構包括：
4、光敏元像素電路，與獨立的光敏元連接，可在光敏元響應后實現電平比較并將結果以電信號形式輸出“真”或“假”至計時電路，控制像素內計時電路計時停止，其輸出端與計時電路連接；
5、計時電路，用于進行光子飛行時間測量以及計時，同時進行高位計數器進位失配矯正以及高位矯正數據緩存，其輸入端與光敏元像素電路、像素外圍時鐘與時序控制電路連接，其輸出端與數據讀出電路連接；
6、數據讀出電路，用于串行讀出數據緩沖區中的數據，其輸入端與計時電路的輸出端連接。
7、進一步的，計時電路包括時間數字轉換電路、翻轉檢測電路以及進位失配矯正電路，用于實現光子計時、計時高位數據失配檢測以及失配數據矯正功能。
8、進一步的，時間數字轉換電路分別與光敏元像素電路、像素外圍時鐘與時序控制電路、翻轉檢測電路以及數據讀出電路連接，其包括高精度低位采樣電路與高位采樣電路。
9、其中，高精度低位采樣電路用于采樣計時高頻時鐘相位并輸出高精度計時結果，實現高精度計時，其輸入端接入時鐘與時序控制電路產生的時鐘信號和光敏元像素電路輸出信號，輸出端與翻轉檢測電路和數據讀出電路輸入端連接。高位采樣電路用于采樣大范圍量化的計時值，其輸入端接入時鐘與時序控制電路產生的時鐘信號，輸出端與翻轉檢測電路連接。
10、進一步的，翻轉檢測電路分別與時間數字轉換電路和進位失配矯正電路連接，實現高位計數器的翻轉檢測，包括相位跳變觸發電路和數值一致性檢驗電路。其中，相位跳變觸發電路輸入端接入高精度低位采樣電路的輸出端，其輸出端與數值一致性檢驗電路連接；數值一致性檢驗電路輸出端與進位失配矯正電路連接。
11、進一步的，所述相位跳變觸發電路用于產生高位計數器檢測的時鐘信號，其包括m組異或門與d觸發器級聯的時鐘倍頻子電路。每個倍頻子電路中，異或門的輸出端與d觸發器的時鐘輸入端連接，d觸發器的輸入端與其反向輸出端連接，d觸發器的輸出端與異或門的第二輸入端連接。第一級倍頻子電路的異或門第一輸入端接第一高頻時鐘信號，后續倍頻子電路的異或門的第一輸入端依次接入前一倍頻子電路的異或門的輸出信號。
12、其中，異或門輸出信號為輸入時鐘的二倍頻。則m級倍頻子電路連接，輸出檢測時鐘為輸入時鐘信號的2m倍頻，與低位計時值翻轉的頻率一致。
13、進一步的，所述數值一致性檢驗電路用于檢測高位計數器的翻轉情況，其包含一組由n個d觸發器組成的高位緩存區、n組同或門和一個多輸入端的與門。高位緩存區中的每個d觸發器的輸入端一一對應地與高位采樣電路中d觸發器的輸出端連接；每個同或門的第一輸入端一一對應地與高位采樣電路中d觸發器的輸出端連接，第二輸入端一一對應地與所述高位緩存區中d觸發器的輸出端連接；多輸入與門的輸入端與各同或門的輸出端連接，多輸入與門的輸出端與進位失配矯正電路連接。
14、計時狀態下，高位采樣電路的翻轉時鐘信號為第一高頻時鐘信號。將所述相位跳變觸發電路產生的檢測時鐘作為高位緩存區內d觸發器的時鐘信號，在每次低位計時值翻轉時刻采樣高位采樣電路值并存入高位緩存區。通過同或門比較高位緩存區和高位計數器內存儲的值，比較結果一致則輸出邏輯“真”，比較結果不一致則輸出邏輯“假”，n組比較結果輸入多端與門，以電信號形式輸出邏輯“真”或“假”的檢驗結果作為跳變發生信號，判斷高位計數器是否翻轉。
15、進一步的，所述進位失配矯正電路實現高位失配計數矯正功能，并存儲矯正后的高位計時值，輸入端接入翻轉檢測電路的輸出端，其輸出端與數據讀出電路連接，由模式切換信號控制計時與數據讀出模式的切換，由數據刷新信號控制數據緩沖區存儲數據的刷新。其包含一組由n個d觸發器組成的數據擺渡區、一組由n個d觸發器組成的數據緩沖區、兩路選擇器和數值連續性比較電路。
16、數據擺渡區中d觸發器的輸入端一一對應地與高位緩存區中d觸發器的輸出端連接，數據擺渡區中d觸發器的時鐘輸入端與數值一致性檢驗電路中多輸入與門的輸出端連接；數據緩沖區中d觸發器的輸入端一一對應地與數據擺渡區內d觸發器的輸出端連接，數據緩沖區中d觸發器的時鐘輸入端與第二選擇器的輸出端連接。
17、計時狀態下，高位采樣電路跳變信號作為所述數據擺渡區內d觸發器的時鐘信號，跳變發生至跳變穩定階段，高位采樣電路跳變信號由“0”置“1”，所述高位緩存區存儲的數據傳輸至所述數據擺渡區，并與所述數據緩沖區存儲的高位計時數據進行數值連續性比較，比較結果作為數據刷新信號傳輸至所述數據緩沖區，判斷是否發生進位失配現象，并允許檢測時鐘信號進入所述數據緩沖區作為d觸發器的時鐘信號，將所述數據擺渡區存儲的數據傳輸至所述數據緩沖區，刷新緩沖區；讀出狀態下，讀出時鐘進入所述數據緩沖區，讀出數據緩沖區存儲的高位計時數據。
18、進一步的，所述數值連續性比較電路可實現高位計時數據的連續性檢驗，其包含一組計數單元構成的n?bit計數器、n組同或門、一邏輯子電路和一個多端本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種零進位失配可擴展位數型高精度光子飛行時間計時電路，其特征在于，包括光敏元、光敏元像素電路、計時電路以及數據讀出電路；
2.根據權利要求1所述的光子飛行時間計時電路，其特征在于：所述時間數字轉換電路包括高精度低位采樣電路和高位采樣電路；所述高精度低位采樣電路接入所述光敏元像素電路產生的光子響應信號、復位信號、時鐘與時序控制電路產生的時鐘信號和模式切換信號，用于采樣計時高頻時鐘相位并輸出高精度計時結果，高精度低位采樣電路輸出端與所述翻轉檢測電路連接；所述高位采樣電路接入時鐘與時序控制電路產生的高頻時鐘以及光敏元像素電路產生的觸發信號和復位信號，用于采樣大范圍量化的計時值，高位采樣電路輸出端與所述翻轉檢測電路連接。
3.根據權利要求1或2所述的光子飛行時間計時電路，其特征在于：所述翻轉檢測電路包括相位跳變觸發電路和數值一致性檢驗電路；
4.根據權利要求3所述的光子飛行時間計時電路，其特征在于：所述進位失配矯正電路包括數據擺渡區、數據緩沖區和數值連續性比較電路；
【技術特征摘要】
1.一種零進位失配可擴展位數型高精度光子飛行時間計時電路，其特征在于，包括光敏元、光敏元像素電路、計時電路以及數據讀出電路；
2.根據權利要求1所述的光子飛行時間計時電路，其特征在于：所述時間數字轉換電路包括高精度低位采樣電路和高位采樣電路；所述高精度低位采樣電路接入所述光敏元像素電路產生的光子響應信號、復位信號、時鐘與時序控制電路產生的時鐘信號和模式切換信號，用于采樣計時高頻時鐘相位并輸出高精度計時結果，高精度低位采樣電路輸出端與所述翻轉...
【專利技術屬性】
技術研發人員：周愛詩，高若堯，奚水清，劉佳楊，任麗，袁俊翔，崔大健，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第四十四研究所，
類型：發明
國別省市：
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