利索能及
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专利号: 2020100849292
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:包括积分定时模块和行选读出模块,所述的积分定时模块的输入端与积分信号产生逻辑和反馈控制逻辑的输出端分别相连,所述的积分定时模块的输出端与反馈控制逻辑和行选读出模块的输入端分别相连;所述的积分定时模块的输入信号包括外部复位信号Rst、外部输入参考电压Vbias和所述的积分信号产生逻辑的输出端向积分定时模块输入的Integral_Signal信号;所述的积分信号产生逻辑的输入信号包括外部光子雪崩信号Photon、外部启动信号Start和外部停止信号Stop;所述的行选读出模块的输入信号为外部行选读出信号Read,所述的行选读出模块的输出端Out连接到外部输出端。

2.根据权利要求1所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:所述的积分信号产生逻辑包括两个RS触发器和一个与门AND1,两个RS触发器分别为RSFF1和RSFF2;所述的RSFF1的置1端S连接外部光子雪崩信号Photon,所述的RSFF1的置0端R连接外部停止信号Stop,所述的RSFF1的输出端Q产生的积分使能信号Integral_Enable连接与门AND1的一个输入端;所述的RSFF2的置1端S连接外部启动信号Start,所述的RSFF2的置0端R连接外部停止信号Stop, RSFF2的输出端Q端产生的积分区间信号Integral_Range和与门AND1的另一个输入端连接,所述的与门AND1输出的Integral_Signal信号连接到积分定时模块。

3.根据权利要求2所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:所述的积分定时模块包括两个积分电容、三个NMOS管、第一PMOS管、运放A1以及恒流源Ibias;所述的两个积分电容分别为C1和C2,所述的三个NMOS管分别为MN0、MN1、MN4,所述的第一PMOS管为MP0;所述的MN4的栅极连接积分信号产生逻辑中的与门AND1的输出端产生的积分信号Integral_Signal,MN4的漏极与恒流源Ibias的负极连接,所述的恒流源Ibias的正极与电源电压VDD连接,所述的C1和C2的正极板相互连接并与MN4的源极、MN0的漏极和运放A1的同相输入端相连接;所述的运放A1的反相输入端与它的输出端产生的标志信号Flag相连接并连接到反馈控制逻辑中的运放A2的同相输入端;所述的C1的负极板相互连接到地,所述的C2的负极板与MN1的漏极和MP0的漏极相连接;所述的MN0的栅极接外部复位信号Rst,并且MN0的源极连接到地,所述的MN1的源极接地,所述的MN1的栅极和MP0的栅极一起与反馈控制逻辑相连,所述的MP0的源极连接电源电压VDD。

4.根据权利要求3所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:所述的反馈控制逻辑包括运放A2,两个NMOS管、第二PMOS管、与门AND0,一个或非门NOR和一个反相器INV0;所述的两个NMOS管分别为MN2、MN3,所述的第二PMOS管为MP1;其中,所述的运放A2的同相输入端与积分定时模块中的运放A1输出端产生的标志信号Flag相连接;所述的运放A2的反相输入端连接外部输入参考电压Vbias,所述的运放A2的输出端分别连接MN2的漏极、MN3的栅极和MP1的栅极; 所述的MN2的栅极连接外部复位信号Rst,并且MN2的源极连接到地;所述的MP1的源极与电源电压VDD相连接,MP1的漏极与MN3的漏极相连接,并连接到与门AND0的一个输入端,MN3的漏极连接到地;所述的与门AND0的另一个输入端与反相器INV0的输出端相连接,所述的与门AND0的输出端连接到或非门NOR的一个输入端,所述的或非门NOR的另一个输入端连接到外部复位信号Rst,或非门NOR的输出端与反相器INV0的输入端连接,或非门NOR产生的二次积分使能信号Second_Signal与积分定时模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:所述的行选读出模块包括第三PMOS管,所述的第三PMOS管包括MP2和MP3;所述的MP2的栅极与所述的C1的正极板、C2的正极板、所述的MN0的漏极、所述的MN4的源极以及运放A1的同相输入端相连接,所述的MP2的漏极连接到地,所述的MP2的源极连接到所述的MP3的漏极,所述的MP3的栅极连接外部行选读出信号Read,并且MP3的的源极连接到输出端Out。

6.根据权利要求4所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路,其特征在于:所述的积分定时模块中的积分电容C2、MOS管MP0、MN1以及反馈控制逻辑中的与门AND0、或非门NOR、反相器INV0组成二次折叠式积分测量电路,当进行n次折叠式积分测量时,此时n次折叠式积分电路在二次折叠式积分测量电路增加n-2组积分折叠测量单元,所述的积分折叠测量单元包括积分电容Cn、PMOS管MP、NMOS管MN、以及一个缓冲器Buffer、一个或门Or、一个与门AND、一个或非门NOR和一个反相器INV,其中或门Or的输出与反馈控制逻辑中的与门AND相连接,或门Or的一个输入端与PMOS管MP1及NMOS管MN3的漏极相连接,它的另一个输入端与缓冲器Buffer的输出端相连接,缓冲器Buffer的输入端与原有的二次折叠式积分测量电路中的INV0的输出端相连接;此外,或非门NOR的输入端与外部复位信号Rst连接,它的输出端与PMOS管MP和NMOS管MN的栅极相连接,并记为n次积分使能信号n_Enable,积分电容Cn的正极板与积分电容C1、C2的正极板相连接,它的负极板连接NMOS管MN以及PMOS管MP的漏极,MN的源极接地,MP的源极接电源电源VDD,其中,n≥3。

7.权利要求5-6中任一项所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法,其特征在于,即在二次折叠式积分电路上进行测量,包括如下步骤:

1)启动复位阶段:系统上电,先对系统进行复位清零,外部复位信号Rst变成高电平,C1、C2的正极板上的电压被清零,系统输出端Out被清零;或非门NOR的输出端二次积分使能信号Second_Enable为低电平,系统在第一段积分过程中,只要积分电压未超过外部输入参考电压Vbias,二次积分使能信号Second_Enable始终保持为低电平;随后,发射激光的开始信号Start信号变为高电平,系统开始发射激光探测物体,积分使能信号Integral_Enable在RSFF2的作用下被开始信号Start触发变为高电平,电路开始积分,此时系统等待返回回来的光子;

2)积分定时阶段:当光子信号Photon返回被检测到时,恒流源Ibias开始对C1进行第一段充电,此时由于积分电压未能达到外部输入参考电压Vbias,运放A2的输出端为低电平,因此C2未被开启,不能参与第一阶段的积分;当C1的积分电压上升到外部输入参考电压Vbias的值时,积分电容C2的负极板被拉到低电平,积分电容C1和积分电容C2并联,一起进入第二阶段的积分直到外部停止信号Stop变为高电平时;

3)停止计时阶段:当外部停止信号Stop变成高电平时,输出的积分信号Integral_Signal也变为低电平,恒流源Ibias停止向积分电容C1、C2输送电流,停止积分,此时C1、C2上的电压值保持不变;此时,电路实现了折叠式积分,电压摆幅成倍增大;

4)信号读出阶段:当外部停止信号Stop结束后,外部行选读出信号Read由初始的高电平变成低电平,将C1、C2上的电压值传输到输出端Out;本发明通过利用比较器,运用C2将第一段积分电压释放,重新开始新一段的积分从而将积分电压的摆幅范围扩大,若二次积分使能信号Second_Enable为高电平,则判断第一段积分电压必定为外部输入参考电压Vbias,那么总电压值为Vtotal=Vbias+Vsecond,而第二次积分电压的幅值通过调节C2的值改变;若二次积分使能信号Second_Enable为低电平,则说明积分电压未能达到外部输入参考电压值,那么此时将直接读出该电压值;因此,当返回的光子信号Photon被检测到的时间早,则积分时间长,那么进行两段积分,电压摆幅大;如果返回的光子信号Photon被检测到的时间晚,则积分时间短,那么进行一段积分,电压摆幅小;从而实现了积分电压摆幅扩大,直接提高测量范围和时间分辨率;积分电压值与光子飞行时间呈线性正比关系,因此,根据输出的电压值计算出测量时间Tmeasure,而已知外部启动信号Start和外部停止信号Stop的时间间隔Ttotal,根据公式TOF=Ttotal-Tmeasure计算出光子飞行时间TOF。

8.根据权利要求7所述的一种高动态范围的时间-幅度转换电路的测量方法,其特征在于:在所述的二次折叠积分的基础上实现三次以上的折叠积分,首先,再加入一个积分电容Cn以及一个PMOS管MP、一个NMOS管MN、一个缓冲器Buffer、一个或门Or和与门AND、或非门NOR、以及反相器INV的控制逻辑;其次,将新加的与或非门控制逻辑的输出三次积分使能信号n_Enable连接至PMOS管MP和NMOS管MN的栅极进行三次积分使能的控制,其测量方法如下,当第一次积分电压达到外部输入参考电压Vbias时将C1的正极板清零并将第二次反馈的信号给C2开始二次折叠式积分,当进入第二次折叠积分时,如果积分电压未能超过外部参考电压Vbias,则三次积分使能信号n_Enable无效,不触发三次折叠积分,如果积分电压超过外部参考电压Vbias,运放A2的输出经过三次控制逻辑使三次积分使能信号有效,开启积分电容C使其与C1、C2并联,即进入三次折叠式积分;如需三次以上折叠积分,则对积分测量单元进行折叠增加,并在三次基础上再次对n次积分使能进行相同逻辑过程,即实现三次以上折叠积分。