红外测距仪模拟检测电路固有延时测量研究

王伟明，沈晓彦，陈志斌，张 超

（1.军械技术研究所，河北 石家庄 050000；2.中国兵器工业标准化研究所，北京 100089）

光电测距仪器模拟检测技术以延时时间模拟空间距离，已在脉冲式激光测距机性能检测中得到广泛应用[1-2]。与脉冲式激光测距仪器不同，红外测距仪采用正弦波调制技术，其具有可调延时功能的高速数据转换电路是设计红外测距仪电路延时模拟检测仪器的关键部件。对红外测距仪进行电路延时模拟检测的过程是：光电转换器将红外测距仪发出的测距光信号转换为电信号，具有可调延时功能的高速数据转换电路采集该电信号并延时复现测距光波，功能正常的红外测距仪在接收到复现的测距光波后应能正确返回延时时间模拟的空间距离。具有可调延时功能的高速数据转换电路一般采用高速ADC、FPGA、高速DAC及其相关电路构成。电路固有延时引起的模拟距离误差需在仪器使用阶段进行补偿，因此必须对该固有延时进行精密测量。模拟信号的延时相对于数字信号延迟的测量较为困难，加之高速数据转换电路的输入和输出信号幅值较低，难以采用类似数字脉冲时间间隔的测量方法。本文提出了一种采用C8051F和TDC-GP21的低成本固有延时测量电路，在引入较小测量误差的情况下巧妙解决了模拟信号延迟数字化测量的问题。

1 高速数据转换电路

红外测距仪采用高低频双频率调制甚至多频率调制技术[3]，模拟调制回波生成电路除采用响应速度足够快的光电探测器和红外发光管外，关键在于设计高速数据转换电路，对测距信号进行可调延时的复现。如图1所示，高速数据转换电路包括模拟/数字转换电路、FPGA XC4VLX25和数字/模拟转换电路三部分。其中，模拟/数字转换电路采用Analog公司专用差分ADC驱动器ADA4937和14位并行LVDS接口的差分高速模/数转换器AD9640，实现对红外测距仪发出的测距光波的高速采集；数字/模拟转换电路采用Analog公司的14位高速数/模转换器AD9744和TI公司的100 MHz、100 mA电流反馈放大器LM6181，在LM6181的同向输入端引入了可调直流电压信号，与AD9744的输出信号相加，使得输出信号具有可调的直流偏置电压。直流分量使红外发光管处于导通状态，交流分量对发光强度进行调制，从而产生模拟回波。XC4VLX25用于控制输入信号和模拟回波之间的延时时间。

图1 高速数据转换电路

高速数据转换电路的固有延时时间包括ADC采样电路部分的延时时间、FPGA的延时时间和DAC输出电路部分的延时时间。根据器件数据手册得到的延迟典型值为128 ns。ADC采样电路部分输入最大值为1.8 V，DAC输出电路的输出最大值为1.2 V，难以正常触发数字电路的I/O口，故无法采用数字脉冲时间间隔测量的一般方法。

2 固有延时测量电路设计

TDC-GP21(以下简称GP21)是德国ACAM公司继TDC-GP1之后推出的一款基于延迟线内插法的高精度时间间隔测量芯片[4]，相对于TDC-GP1具有更高的精度和更小的封装。正常工作时，I/O电压为2.5 V～3.6 V，Core电压为2.5 V～3.6 V。除了高精度时间间隔测量功能外，其还具有高速脉冲发生器、停止信号使能、温度测量和时钟控制等特殊功能模块。另外，GP21可以通过四线SPI接口与外部微控制器相连，具有最大1 MHz的连续数据输出率。GP21作为高精度时间-数字转换芯片能够精确测量两个输入脉冲之间的时间间隔，已广泛应用于脉冲时间间隔测量领域[4-5]。

高速数据转换电路中的模拟/数字转换器AD9640内部有1 V的参考电压源，差分输入范围为-1.8 V～1.8 V，单端高电平为1.2 V的脉冲信号Sin通过差分ADC驱动器ADA4937可以满足该输入范围。数字/模拟转换器AD9744内部有1.2 V的参考电压，Sin经高速数据转换电路后输出高电平为1.4 V的脉冲信号Sout。Sin和Sout均无法满足GP21的0.7Vio(Vio=3.3 V时该值约为2.3 V)的输入高电压要求，无法触发其测量通道。因此，不能直接采用测量高速数据转换电路输入和输出脉冲信号时间间隔的方式对固有延时时间进行测量。

C8051F320是SiLabs公司推出的混合信号处理单片机，内置两路电压比较器，每个比较器有一个模拟输入多路器和2个可以通过交叉开关接到外部引脚的输出，即一个同步“锁存”输出（CP0、CP1）和一个异步“直接”输出（CP0A、CP1A）。该比较器具有可编程的响应时间，最小响应时间为100 ns。在3.3 V供电情况下，当比较器的正输入端电压大于负输入端电压时，其输出为外部引脚的VOH（3.3 V），反之为VOL（0 V）。 如将Sin和Sout分别通过C8051F320内部电压比较器提升电平，则比较器输出可触发GP21进行脉冲时间间隔的采集。如图2所示，在比较器0的负输入端连接AD9640的1 V参考电压，在比较器1的负输入端连接AD9744的1.2 V参考电压，将Sin分别输入至比较器0的正输入端和高速数据转换电路，因输入和输出信号均通过电压比较器，在单片机内部二者的响应时间基本一致，信号延迟可以相互抵消，所以比以分立元件搭建电压比较器引入的误差低。C8051F320具有四线SPI接口，可方便地与GP21相连，由C8051F320的SPI接口读取测量结果，简化了测量电路硬件，减少了测量误差来源。

图2 利用C8051F内部电压比较器对模拟脉冲电平抬升

如图3所示，固有延时测量电路主要包括C8051F320和GP21及其附加元件。通过数字交叉开关将C8051F320的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3选择为四线制SPI口连到TDC-GP21的SPI口，对C8051F进行读写控制。C8051F320内部的电压比较器0的正输入只能选择P1.0、P1.4、P2.0、P2.4， 负 输 入 只 能 选 择P1.1、P1.5、P2.1、P2.5；电压比较器1的正输入只能选择P1.2、P1.6、P2.2、P2.6， 负 输 入 只 能 选 择P1.3、P1.7、P2.3、P2.7。本文选择P1.0、P1.1分别作为比较器0的正负输入，P1.2、P1.3分别作为比较器1的正负输入，均采用SMB接口连接输入信号。比较器0的直接输出CP0A映射至P0.5，比较器1的直接输出CP1A映射至P0.7，分别连接GP21的START脚和STOP1脚。此外，GP21的复位、中断和测量启动使能和测量停止使能等管脚均连到C8051F320的I/O口上。测量中SMB接口P3连接Sin时，P4连接AD9640的1 V参考电压源；P1连接Sout，P2连接AD9744的1.2 V参考电压源。经两路比较器对电平进行抬升后，P0.5与P0.7之间的时间间隔将被GP21捕获，即基本对应高速数据转换电路的固有延时时间。在PCB设计阶段，START脚的输入信号和STOP1脚的输入信号应尽量缩短且等长。GP21有两个测量范围，其中测量范围1为3.5 ns～2.4μs，根据器件延时典型值，选择采用测量范围1。1个STOP通道相对应一个START通道时典型精度为45 ps，可选择每个通道的触发电平方式。由于GP21测量的分辨率会随温度和电压的改变而改变，因此GP21提供了自动校准模式。

图3 固有延时测量电路

3 测量实验及结果

按照上述电路和测量方法，采用高速信号发生器产生高电平为1.2 V、宽度为500 ns的单脉冲，对高速数据转换电路的固有延时测量了5组数据，每组10次，求得其平均值和标准差，如表1所示。

表1 固有延时测量实验结果

由表1可知，固有延时与通过根据器件数据手册得到的延迟典型值有较大差距，这是因为后者未考虑PCB板布线和寄生电阻、电容等造成的延迟影响。因测量过程中高速数据转换电路一直处于工作状态，测量结果的标准差逐步增大，主要原因是高速数据转换电路中的ADC和DAC在高速采样状态下功耗很大，造成电路温度升高，对固有延迟有较大影响。因此，必须通过改进PCB布线工艺和增加散热装置等措施来提高高速数据转换电路的延时控制精度。

本文研究了基于C8051F320和TDC-GP21的低成本红外测距仪模拟检测电路中高速数据转换电路的固有延迟测量电路，实现了对该延迟时间的高精度测量，为红外测距仪电路延迟模拟检测仪器的设计和开发提供了一种验证手段。固有延迟测量精确度受很多因素影响，其误差不仅包括信号在系统各器件中的传播延迟所带来的固定系统误差，还包括由时钟抖动引起的随机误差和器件的寄生电阻、电容、温度、环境等因素造成的传播延迟抖动引起的随机误差。因此，固有延迟的精确测量及其高稳定性仍然是下一步的研究重点。

[1]冯龙龄.脉冲激光测距系统的仿真检测技术[J].红外与激光工程，2003，32(2)：127-129.

[2]高阳，雷杰，虞红，等.半实物仿真中的高精度激光回波模拟技术[J].红外与激光工程，2012，41(1)：196-199.

[3]贾方秀，丁振良，袁锋.相位法激光测距接收系统[J].光学精密工程，2009，17(10)：2377-2384.

[4]杨亚，王让定，姚灵，等.时差法超声波流量计中时间间隔测量及误差分析[J].宁波大学学报（理工版），2012，25(4)：35-39.

[5]梅彦平，张明君，王延平，等.TDC-GP21在超声波热量表中的应用[J].仪表技术与传感器，2012(2)：37-39.