高精度延时电路在激光测距仪器检测中的应用研究
高精度延时电路在激光测距仪器检测中的应用研究
作者:王伟明;陈志斌;刘宝华
激光测距仪器应用广泛,其测距精度高、操作简便。在激光测距机生产及定期维护过程中,通常采用最大测程法对其测距性能进行检测。然而该检测方法受到场地及气候条件的影响较大,耗费的人力、物力成本高。为使激光测距仪器的检测不受上述因素限制,近些年发展起来一种采用电路延时模拟空间距离的模拟检测方法。该模拟检测方法利用半导体发光器件作为模拟光源,检测装置接收到被检测距机发射的测距脉冲后,启动内部电路进行预定时间的延时,预定的时间与预置的模拟距离值相对应。延时时间到后模拟光源发射模拟测距回波脉冲至被检测距仪器的接收系统。通过检验测距仪器的响应可以判断其测距性能是否符合技术指标。由上述可知可预置电路延时器的延时精度直接限制了该模拟检测方法的距离检测精度。本文分析了通常采用的计数器延时方法的优点和不足,进而提出了一种基于FPGA的高精度电路延时方法,大大提高了模拟检测方法的距离检测精度,增强了对激光测距仪器的检测能力。
1 计数器延时模拟检测方法的原理
作为可预置延时器的一种通用方法,计数器延时的时间分辨精度受计数器驱动时钟频率的影响。其中,start信号表示被检测距仪器发射的测距脉冲到来时刻产生的计数器启动信号;clock为计数器驱动时钟脉冲;counter为计数器的计数值;done信号为计数器计数完成后产生的激光模拟回波脉冲驱动信号。
计数器延时器在工作时,首先根据需要模拟的距离值s、计数器驱动时钟频率J得到需要延迟的其中,c为光在空气中的传播速度。
当start信号到来之后,计数器在驱动时钟的上升沿开始增1计数,当计数值达到N后,表示预定的延迟时间已经结束,在下一个时钟的上升沿产生done信号驱动模拟光源产生模拟回波脉冲。计数器延时器的优点在于每增加一位计数位宽其计数范围可以增加一倍,计数动态范围大、容易调整;驱动时钟的时间分辨精度为l/f,提高驱动时钟的频率可以提高时间分辨精度。
然而,由于计数器启动信号到来时刻的随机性,启动信号start与开始计数的时钟边沿存在一个不确定的时间偏差!由上述可知,虽然提高驱动时钟的频率可以提高时间分辨精度,同时降低时间偏差6.t1,但是高频计数器会导致电路系统稳定性降低甚至不能正常运行,反过来对延时时间精度造成影响,因此不能单纯依赖提高驱动时钟频率的方式来提高时间分辨精度。
2、时间数字转换器的原理
在驱动时钟稳定的前提下,tz为一段确定的延时时间。为了提高实际延时时间t的时间分辨精度,需要将计数器延时偏差趴确定下来。这里采用时间数字转换器(TDC)的原理测量,ti时间数字转换器采用延迟线的方法实现。
当脉冲信号 start到达 时刻 ,信号开始沿着延迟线进行传递,延迟线由一系列具有相同延时时间的门电路单元串联而成。信号每经过一个延迟单元产生一个延时 r;当结束信号 stop(时钟 信 号上 升 沿 )到来时, start信号 在 延 迟 线 上 的传 递 状 态被锁存 ,输出 start信号 巳经传递 的延迟单 元个数 k,则可以得到时间偏差值为延迟线方法的优点在于结构简单,易于实现。其测量精度受限千单个延时单元的时间。由于在FPGA中有专用的进位资源 ,如 X ILIN X 公 司 的FPGA 中有专 门 的进 位延 迟 链 (carry-chain), 这些进位逻辑在 FPG A 内部 的布局巳经 是呈直线链条型,且每一个进位逻辑对信号的延迟时间基本固定,因而是实现时间数字转换器的理想平台。需要注意的是,由于 FPG A 内部 的延 迟 资 源有 限 ,而且单 条进位延迟线长度有限,因而在设计的过程中需要满足:其中,m为单条进位延迟线的最大延迟单元个数,r为一个进位逻辑的延迟时间,J为计数器驱动时钟频率。
3 偏差时间测量的FPGA实现
本文采用XILINX 公司的一 片 V irtex-4 系列FPGA XC4VLXZ5-11FF668实现时间数字转换电路。该型FPGA为XILINX公司的大容量高性能产品,片内每列具有 96 个 CLB ,每个 CLB 内有四个 Slice,每两个 Slice 级联 ,而 一 个 Slice 内有两个进位逻辑门,进位延迟链 (carry-chain)就 是 每列相邻 Slice间 进 位 逻 辑 门 的相 互 连接 。所 以在 该型 FPGA 内所形 成 的单 条进 位延迟链 最 多包 含 96 X2X2=384 个 门电路延迟单元 。通过 X C4V LX 25的数据手册可以知道,单个进位门延时约为 80 ps, 因此单条进位延迟链最大延迟时间为 384X 80 ps=30. 72 ns。
虽然单条进位延迟线理论上可以提供长达 30.72ns 的延 时 ,但是随着 延迟线 长度 的增 加 ,门电路延时的非线性效应也会增加 ,即延迟门单元的延迟时间存在非线性漂移,产生延迟误差。进位延迟线的非线性效应虽然不能完全消除,但是可以通过减少延迟单元个数的方式来降低非线性漂移误差。因此,这里采用 64 个逻辑门形成进行延迟线 。
在 X ILIN X ISE 开发环境下采用V H D L 语言开发 FPG A 测最偏差时间程序 ,为 了避免在 ISE 综合过程中将延迟单元作为冗余单元剔除,这里要将延迟单元进行声明,使得在系统综合过程中,对声明部分不做优化处理。其中, ci为不希望 系统综 合过程 中进行 优 化 的信号。其中,MUXCY单元为进位延迟单元,FD为D触发器,在驱动时钟的上升沿将start信号的传递状态锁存,q为延时时间输出。
4 偏差时间测量结果及分析
XILINX公司提供的ChipScopepro将逻辑分析器、总线分析器和虚拟I/O小型软件直接插入到用户设计当中,可以查看任何内部信号或节点。信号通过JTAG接口引出,利用ChipScope pro逻辑分析器进行分析。本文采用ChipScope pro观测偏差时间测量结果,由Agilent 33220A产生脉冲信号作为stop信号,设定ChipScope pro触发条件为stop信号的上升沿,由于stop信号为短脉冲,因此在ChipScope pro上可以清楚地看到stop信号的下降沿在延迟线上的传递过程。驱动时钟设为200MHz。
stop信号下降沿在延迟线上的传递状态,可见stop信号在传递至第21个延迟单元时被驱动时钟锁存。
5结论
本文分析了在测距仪器模拟检测中通常采用的计数器延时电路存在的优点和不足,在保持计数器延时电路动态范围大的优点的前提下,提出了对计数器延时精度进行补偿的方法,将影响延时精度的偏差时间利用基于延时线内插的时间数字转换器测量方法进行精确测量,然后将偏差时间测量结果转换为偏差距离,对预置的模拟距离进行精度补偿,大大提高了模拟距离精度,增强了对激光测距仪器的模拟检测能力。
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