精度高达22ps的TDC芯片，在激光测距中的应用

摘要：有几种不同的方法来实现一个激光测距仪，原理上它们是相似的,都是发射光脉冲,然后接收。一旦返回脉冲被接收到,一些简单的算术和几何公式被用来计算光脉冲的飞行距离，例如：三角测量、调频连续波、飞行时间等，这些不同的方法都有自己的优缺点。 三角测量距离小于10m,精度较高达um级别，依赖于表面,便宜,结实；调频连续波测量距离小于200m，精度为厘米级别，低生产成本,测量速度慢；飞行时间测量距离可达几公里，同时可将误差控制在mm级别，反应时间短,价格昂贵,没有光圈。对于长距离测距来讲，采用飞行时间测距是最为有效的一种方案，本文介绍了基于Acam TDC-GP22的飞行时间测量方案在激光测距中的应用。

一、飞行时间

飞行时间 ，这是一个光脉冲前往目标并返回的时间。已知光的速度,和精确的测量结果:飞行时间,可以计算出距离。许多脉冲顺序被发射,平均响应时间是最常用的。这种技术要求非常精确的亚纳秒定时电路。测量距离用激光或激光扫描仪很好的被建立–你会发现这个技术在地质测量系统,安全系统, 生产控制系统中,甚至高尔夫系统中。基于要测量的距离,不同的方法被使用。小距离,通过三角测量。使用这种方法实现的方案是在微米范围内,但只有几米的最大范围是有限的。对于100 米左右的距离,人经常使用的相移测量技术。进行激光调制,传出和传入的光之间的相移给出距离。为了达到毫米范围内的分辨率,非常高的采样率是必要的。只有带有高电流消耗的低测量频率是可能的。使用时间数字转换器,人们有了捷径来数字化飞行时间。它使直接测量光的飞行时间成 为可能。原理很简单,但是细节是难点!众所周知,光的飞行速度很快。

因此, 必须能够处理极短的时间。在仅仅1微秒的时间里,光线就可以穿过 300 米! 高分辨率意味着在时间测量中的最高精度。一般情况下,光线能够通过一个物体和镜子反射回来,所有光线通过两倍的实际距离。

所以我们得出数据表：

这个范围非常适合使用 TDC-GP22。单个芯片TDC有一个单一的分辨率90ps ,它相当于13.5mm 距离。 通过平均可以提高分辨率到<10 ps or< 1.5mm。TDC-GP22是一个非常通用的集成电路,它可以在不同的模式下被使用。具体哪个模式被选择,我们看一下具体的说明:

二、测量范围从 0 到 300m

TDC-GP22 – 测量模式 1

概述

• 测量范围从 3.5 ns 到 2.0 μs (0 到 2.0 μs 在不同的 Stop 通道之间)

• Typ. 90 ps 分辨率 rms (13.5 mm)

• 可以通过平均来达到更好的分辨率

• 直到每秒 500,000 次测量

• 20 ns 最小脉冲间隔, 最多接受 4 个脉冲

• 对于每一个通道的四次采样能力

• 对于每个通道可选择上升 和/或 下降沿触发

• 窗口功能的使能引脚

• 典型应用: 手持激光测距仪:可以达到 300 m, 声速枪

框架图

图 2 框架图 – 测量范围1

温度对于发射和接受途径上影响,可以通过测量参考光束和反射光束之间的间隔来消除。所以,TDC 从微处理器得到一个假测量的开始。光学参考触发Stop1,反射光束触发 Stop2。

优势

• 可以测量到零纳秒

• 带有激活的噪声单元的平均可以提高测量结果 (EN_STARTNOISE = “1”)

• TDC 有必须的统计功能实现通过平均提高分辨率

三、测量范围从 75 米 到 公里级别

TDC-GP22 – 测量模式 2

测量模式2提供远距离测量,可以到几公里。但是它的测量范围下端受限。测量模式2需要最小2*Tref在Star和Stop1之间。

概述

• 相对于一个开始通道,一个stop通道。

• 典型22ps/45ps/90ps分辨率

• 测量范围从2 x Tref到4 ms @ 4MHz

• 2 x Tref 脉冲对分辨率

•  个综合采样能力, 完全的自动校准

• 可选择上升沿/下降沿触发

• 集成的可编程窗口,每个 Stop 精度 10 纳秒

• 典型应用: 长距离测距仪(狩猎,高尔夫,测仪器)

框架图

图3. 框架图 – 测量模式 2

四、宽范围应用设计

有些应用程序可能希望短期和长期相结合的测量范围。对此,有必要在测量模式 1(短距离)和测量模式 2(长距离)之间进行切换。这可以通过使用由微处理器控制的两个TDC-GP22 设备,覆盖两个测量模式。

基本原理图：

图 4. 基本原理图

总结：

激光测距最主要的难点就是时刻鉴别精度和时间间隔测量精度，影响时刻鉴别精度的因素主要是回波幅度的不稳定，影响时间间隔测量精度的因素则包括计数器时钟频率、计数量化误差、晶体振荡器频率稳定性和系统固有的延时。TDC-GP22,四精度模式下分辨率达到22ps，集成度高，功耗超低，测量灵活性高，操作简便。此芯片可以与微控制器通过SPI通信实现测量时间间隔和传输测量结果等功能，被广泛应用在脉冲激光测距系统中。