本發(fā)明涉及一種時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置、一種激光雷達系統(tǒng)以及一種使用激光雷達系統(tǒng)和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的設(shè)備。
背景技術(shù)：
時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置——也稱為tdc單元(tdc：time-to-digital，時間-數(shù)字)——用于以高的分辨率和精度來檢測時刻或時間間隔并且將其提供為數(shù)字數(shù)據(jù)。這對于聚焦于飛行時間測量的不同應(yīng)用(例如在激光雷達系統(tǒng)的情況下)具有高度的重要性。
在傳統(tǒng)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的情況下的問題在于：在用于自校準(zhǔn)的不同應(yīng)用的情況下所使用的停止事件相對較少地出現(xiàn)，從而在彼此相繼的事件之間的時間中不保留基于tdc單元的校準(zhǔn)。這導(dǎo)致測量誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
相比之下，根據(jù)本發(fā)明的具有獨立權(quán)利要求1的特征的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置具有如下優(yōu)點：即使在相對較少的停止事件的情況下也能夠以簡單的裝置實現(xiàn)并且維持自校準(zhǔn)。這根據(jù)本發(fā)明以獨立權(quán)利要求1的特征通過創(chuàng)建一種尤其用于激光雷達系統(tǒng)的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置來實現(xiàn)，該時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置具有：n個門延時環(huán)節(jié)的至少一個進行自校準(zhǔn)的n級鏈，所述門延時環(huán)節(jié)混聯(lián)連接(parallel-seriellschalten)在用于輸送節(jié)拍信號的節(jié)拍信號線路與用于輸送停止信號的停止信號線路之間；用于反饋地控制門延時環(huán)節(jié)的電荷泵和相位探測單元，該電荷泵和相位探測單元具有作為調(diào)節(jié)參量輸入端
從屬權(quán)利要求示出本發(fā)明的優(yōu)選的擴展方案。
如果對于反節(jié)拍信號做出以經(jīng)特定地協(xié)調(diào)的形式的選擇，那么出現(xiàn)校準(zhǔn)的特別高程度的精度。因此，在根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的一種有利的擴展方案的情況下設(shè)置如下：反節(jié)拍線路構(gòu)造用于輸送相對于節(jié)拍信號相反的或經(jīng)反轉(zhuǎn)的節(jié)拍信號作為反節(jié)拍信號。
為此，尤其可以在輸入端上構(gòu)造用于使所輸送的節(jié)拍信號反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)裝置或反轉(zhuǎn)器裝置。
根據(jù)本發(fā)明地設(shè)置的門延時環(huán)節(jié)可以具有不同類型的結(jié)構(gòu)。
在如下的情況下得出特別簡單的結(jié)構(gòu)：按根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的另一優(yōu)選的構(gòu)型方式，相應(yīng)的門延時環(huán)節(jié)將第一延時環(huán)節(jié)與節(jié)拍信號線路串聯(lián)連接或在該節(jié)拍信號線路中串聯(lián)連接，將第二延時環(huán)節(jié)與停止信號線路串聯(lián)連接或在該停止信號線路中串聯(lián)連接，并且在第一延時環(huán)節(jié)與第二延時環(huán)節(jié)之間并聯(lián)連接地且連接在延時環(huán)節(jié)后面地具有觸發(fā)器單元。
在根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的另一擴展方案的情況下，相應(yīng)的觸發(fā)器單元例如構(gòu)造為d觸發(fā)器并且具有數(shù)據(jù)信號輸入端、節(jié)拍信號輸入端和數(shù)據(jù)信號輸出端。
在此，數(shù)據(jù)信號輸入端可以與所分配的第一延時環(huán)節(jié)的輸出端連接，而節(jié)拍信號輸入端可以與所分配的第二延時環(huán)節(jié)的輸出端連接。
所得出的n個第一延時環(huán)節(jié)可以在節(jié)拍信號線路中彼此相繼地串聯(lián)連接地構(gòu)造。
附加地或替代地，所得出的n個第二延時環(huán)節(jié)可以在停止信號線路中彼此相繼地串聯(lián)連接地構(gòu)造。
所設(shè)置的第一和第二延時環(huán)節(jié)可以彼此一一對應(yīng)地構(gòu)造和/或與所得出的n個觸發(fā)器單元一一對應(yīng)地構(gòu)造。
反節(jié)拍線路可以以不同的方式來構(gòu)型。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的一種優(yōu)選的擴展方案的情況下，反節(jié)拍線路可以串聯(lián)連接地具有相應(yīng)的n個第三延時環(huán)節(jié)，所述第三延時環(huán)節(jié)分別彼此相繼地分配給彼此相繼的第二延時環(huán)節(jié)并且尤其與這些第二延時環(huán)節(jié)經(jīng)由控制連接端耦合。
在根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的一種優(yōu)選的實施方式的情況下，第二延時環(huán)節(jié)和第三延時環(huán)節(jié)彼此一一對應(yīng)地構(gòu)造，優(yōu)選地與所得出的n個觸發(fā)器單元一一對應(yīng)地構(gòu)造。這意味著第二和第三延時環(huán)節(jié)優(yōu)選地是相同類型的或相同的。僅第一延時環(huán)節(jié)可以根據(jù)與第二和第三延時環(huán)節(jié)的方案相比不同類型的方案來構(gòu)造。第一延時環(huán)節(jié)的時間常數(shù)t1以及第二和第三延時環(huán)節(jié)的時間常數(shù)t2尤其可以彼此不同。
為了輸出所求取的時間值(該時間值表示時刻或時間間隔)，按根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的另一有利的構(gòu)型方式，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置構(gòu)造有輸出總線，該輸出總線與觸發(fā)器裝置的數(shù)據(jù)輸出連接端連接。
為了實現(xiàn)反饋，按根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的另一實施方式，電荷泵和相位探測單元的輸出端可以作為調(diào)整參量輸出端與第一延時環(huán)節(jié)連接，尤其經(jīng)由相應(yīng)的控制輸入端耦合和/或經(jīng)由濾波器耦合。
為了實現(xiàn)反饋，在此尤其電荷泵和相位探測單元的輸出端可以作為調(diào)整參量輸出端經(jīng)由低通濾波器與接地連接。
此外，本發(fā)明涉及一種激光雷達系統(tǒng)，該激光雷達系統(tǒng)為了確定飛行時間具有根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置。
此外，本發(fā)明也涉及一種設(shè)備和尤其一種車輛、優(yōu)選一種機動車，其為了確定距離和/或檢測或監(jiān)測周圍環(huán)境具有根據(jù)本發(fā)明地構(gòu)型的激光雷達系統(tǒng)。
附圖說明
參照附圖詳細地描述本發(fā)明的實施方式。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的第一實施方式的示意方框圖；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置的另一實施方式的示意方框圖。
具體實施方式
以下參照附圖1和2詳細地描述本發(fā)明的實施例和技術(shù)背景。相同且等效的以及相同或作用等效的元件和構(gòu)件以相同的附圖標(biāo)記來表示。并非在出現(xiàn)所述元件和構(gòu)件的任何情況下都描繪所標(biāo)記的元件和構(gòu)件的詳細描述。
所示出的特征和另外的特性可以以任意形式彼此分離且任意地彼此組合，而不脫離本發(fā)明的核心。
圖1根據(jù)示意方框圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置100的第一實施方式。
在圖1中示出的根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置100的實施方式用于分析處理單個數(shù)據(jù)源，例如激光雷達系統(tǒng)的單個像素。
在此，核心組成部分是n個門延時環(huán)節(jié)50的一個序列結(jié)合節(jié)拍信號線路12和停止信號線路13。
每個門延時環(huán)節(jié)50包括第一延時環(huán)節(jié)1(在此具有延時時間t1)、第二延時環(huán)節(jié)2(在此具有尤其可以與延時時間t1不同的延時時間t2)和觸發(fā)器單元20(在此以d觸發(fā)器的形式)。
對于n個門延時環(huán)節(jié)50那么也存在相應(yīng)的n個第一延時環(huán)節(jié)1和第二延時環(huán)節(jié)2。
第一延時環(huán)節(jié)1在節(jié)拍信號線路12中彼此相繼地串聯(lián)連接。第二延時環(huán)節(jié)2在停止信號線路13中彼此相繼地串聯(lián)連接。
d觸發(fā)器20分別分配給由第一延時環(huán)節(jié)1和第二延時環(huán)節(jié)2構(gòu)成的一對，其中，d觸發(fā)器20的數(shù)據(jù)連接端21與所分配的第一延時元件1的輸出端1-2連接而相應(yīng)的d觸發(fā)器20的節(jié)拍輸入端22與分別所分配的第二延時元件2的輸出端2-2連接。d觸發(fā)器20的相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端23與共同的輸出總線40連接。
節(jié)拍信號線路12在輸入端側(cè)上饋以節(jié)拍信號16并且在輸出端側(cè)上與電荷泵和相位探測單元10的作為調(diào)節(jié)參量輸入端的第一輸入端10-1連接。
根據(jù)本發(fā)明，為了實現(xiàn)連續(xù)的自校準(zhǔn)，構(gòu)造如下的反節(jié)拍信號線路14：在輸入端側(cè)上給該反節(jié)拍信號線路輸送反節(jié)拍信號18(例如相對于節(jié)拍信號16反轉(zhuǎn)的信號)，并且該反節(jié)拍信號線路在輸出端側(cè)上與電荷泵和相位探測單元10的作為指令參量輸入端的第二輸入端10-2連接。
在反節(jié)拍信號線路14中，相應(yīng)的n個第三延時環(huán)節(jié)3——在此具有相同的延時時間t2——彼此相繼地串聯(lián)連接地構(gòu)造。在此，第二延時環(huán)節(jié)2和第三延時環(huán)節(jié)3——尤其經(jīng)由第二、第三延時環(huán)節(jié)2、3的控制連接端2-3、3-4——以一對一分配關(guān)系彼此耦合地存在。
為了閉合反饋回路，電荷泵和相位探測單元10的輸出端10-3作為調(diào)整參量輸出端——尤其經(jīng)由第一延時環(huán)節(jié)1的控制連接端1-3——與第一延時環(huán)節(jié)1連接。為了實現(xiàn)反饋，電荷泵和相位探測單元10的調(diào)整參量輸出端10-3有利地可以經(jīng)由低通濾波器30與接地31連接。電荷泵和相位探測單元10的輸出信號是電流信號或者相應(yīng)于電流信號。該電流信號經(jīng)由濾波器30轉(zhuǎn)換成電壓信號。該電壓信號尤其適合作為第一延時環(huán)節(jié)1的控制信號。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點在根據(jù)圖1的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置100的布置的情況下通過如下方式出現(xiàn)：與在停止信號線路13上存在或不存在停止事件無關(guān)地，通過將反節(jié)拍信號18——尤其由反轉(zhuǎn)原本的節(jié)拍信號16推導(dǎo)出——連續(xù)地輸送到電荷泵和相位探測單元10的作為指令參量輸入端的第二輸入端上，也連續(xù)地實現(xiàn)通過連接到電荷泵和相位探測單元10的輸出端10-3上的調(diào)整參量線路11對整個測量回路進行反饋再調(diào)節(jié)。
在圖1中還示出可選的控制電壓線路15，該控制電壓線路用于結(jié)合第二和第三延時環(huán)節(jié)2、3經(jīng)由其控制連接端2-3、3-3、3-4輸送控制電壓19用以細調(diào)。
圖2示出一種構(gòu)型方式中的根據(jù)本發(fā)明的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置100，該時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置適用于多個信號源，例如用于所依據(jù)的激光雷達系統(tǒng)的多個像素。
為此，由n個d觸發(fā)器20連同輸出總線40和停止信號線路13構(gòu)成的序列以相應(yīng)的數(shù)量重復(fù)地來補充。在此，所有的d觸發(fā)器20和第二延時環(huán)節(jié)2一方面借助節(jié)拍信號線路12而另一方面借助反節(jié)拍信號線路14以相應(yīng)的一對一分配關(guān)系與設(shè)置在那里的第一和第三延時環(huán)節(jié)1、3連接，從而通過調(diào)整參量線路11實現(xiàn)共同的反饋。
因此，可以以在設(shè)備上相對較小的開銷在根據(jù)本發(fā)明的激光雷達系統(tǒng)的情況下以改善的精度讀取例如具有多個像素的線布置(linienanordnung)。
本發(fā)明的所述的和另外的特征和特性根據(jù)以下說明來進一步闡述：
為了進行細分辨，目前的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置100或tdc(英語timetodigitalconverter：時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的系統(tǒng)設(shè)計設(shè)置常規(guī)的延時線路(英語dl：delayline)或所謂的微調(diào)延時線路(英語vdl：vernierdelayline)。這些常規(guī)的延時線路或微調(diào)延時線路必要時擴展成調(diào)節(jié)回路，從而出現(xiàn)假定恒定的延時時間并且因此可以測量在停止事件(英語stopp-event)與下一節(jié)拍事件(英語clk-event)之間的時間間隔。
在基于直接的飛行時間測量(英語：directtof)的光學(xué)的3d周圍環(huán)境檢測系統(tǒng)中——例如在激光雷達系統(tǒng)的情況下——距離分辨率和精度與時間測量的精度有關(guān)。
現(xiàn)有的方案在考慮到半導(dǎo)體工藝波動、寄生效應(yīng)和外部干擾影響的情況下在時間測量的精度和可重復(fù)性中具有缺陷。
半導(dǎo)體工藝波動、寄生效應(yīng)和外部干擾影響使時間分辨率降低和失真并且因此使位置分辨率不可逆地降低和失真。
大多數(shù)架構(gòu)的缺點基于停止事件的相對較低的重復(fù)率而產(chǎn)生，該重復(fù)率同時預(yù)給定最大調(diào)節(jié)速度。在沒有接收脈沖/信號的情況下不可以對系統(tǒng)進行再調(diào)節(jié)。
因此，不可以調(diào)節(jié)通過熱學(xué)上的效應(yīng)或寄生效應(yīng)所引起的干擾影響。這些干擾影響限制時間分辨率。
此外，目前的系統(tǒng)方案對于像素陣列僅可以面密集地集成，因為對于每個像素需要自身的調(diào)節(jié)回路。
該方法不能夠符合對于在熱學(xué)上不相關(guān)的且詳細的成像的要求，因為時間分辨率和誤差影響不成比例地相對應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明所提出的方案能夠——更確切地說即使不存在輸入信號——校正過程波動和其他決定性的效應(yīng)，從而由此實現(xiàn)顯著地改善分辨率和可重復(fù)性。
根據(jù)本發(fā)明，這通過轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)回路來實現(xiàn)，該調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)到固定的節(jié)拍周期上、與停止事件不相關(guān)并且以定義的調(diào)節(jié)速度來工作。這意味著：經(jīng)校準(zhǔn)的系統(tǒng)狀態(tài)已經(jīng)在停止事件出現(xiàn)前存在并且實現(xiàn)準(zhǔn)確且可重復(fù)的結(jié)果。
該拓撲同樣證實為是有利的，因為該拓撲降低由多個光敏感的結(jié)構(gòu)(apd、spad等)構(gòu)成的接收器陣列的電路技術(shù)上的開銷，如這在圖2中示出的那樣。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的基本方案。在圖2中示出新方案的簡單的可擴展性。