現(xiàn)實(shí)中很多物體應(yīng)用是無法通過物理接觸來測(cè)量目標(biāo)物體的距離的，例如物流中心傳送帶上的物體，移動(dòng)機(jī)器人手臂周圍的安全距離等。這里的一些可能非接觸式安全測(cè)量技術(shù)選項(xiàng)包括：渦電流、超聲波和光線。其中，激光探測(cè)和測(cè)距(Light distance and ranging，LIDAR)又稱激光雷達(dá)，通過從物體發(fā)出及返回的光線數(shù)據(jù)測(cè)量目標(biāo)物體的距離。要構(gòu)建一個(gè)LIDAR系統(tǒng)，可采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，或者時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。

方案特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)基于TDC及相關(guān)前端，是一個(gè)面向工廠自動(dòng)化的光學(xué)接近傳感器、光學(xué)液位傳感器和無極人的LIDAR系統(tǒng)時(shí)間測(cè)量后端方案。系統(tǒng)按最高級(jí)別測(cè)量傳感器于第一個(gè)障礙物之間的距離，依據(jù)是TDC測(cè)得的脈沖激光的往返時(shí)間，TDC的計(jì)時(shí)分辨率為55ps。系統(tǒng)采用相移方法處理ToF擴(kuò)散，光學(xué)系統(tǒng)包含了激光二極管、LED、光電二極管，通過專用算法來增加測(cè)量距離。

系統(tǒng)對(duì)距離感測(cè)關(guān)鍵是TDC，以TDC7200為例，4.6ms ToF對(duì)應(yīng)于1379km距離，LIDAR的設(shè)計(jì)距離不受TDC測(cè)量范圍的影響。系統(tǒng)中，TDC7200相當(dāng)于一個(gè)秒表，測(cè)量START脈沖到第五個(gè)STOP脈沖之間的持續(xù)時(shí)間，這種測(cè)量START脈沖與多達(dá)5個(gè)STOP脈沖之間的時(shí)間間隔，這一功能使得用戶能夠靈活選擇回聲性能最佳的STOP脈沖。

TDC7200具有內(nèi)部自校準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)事件和溫度漂移進(jìn)行了補(bǔ)償，非常適合高精度測(cè)量。如果采用自主多周期平均模式(Autonomous Multi-Cycle Averaging Mode)，TDC7200可優(yōu)化實(shí)現(xiàn)低功耗，用于電池供電的流量表。這種模式下，主機(jī)可休眠以節(jié)約功耗，在TDC測(cè)量序列完成后中斷并清醒。

本方案采用BoosterPack外形因子，含有兩個(gè)TDC7200器件，雖然具有12ns消隱時(shí)間，這對(duì)小物體測(cè)量來說已經(jīng)是太大了。通過對(duì)兩個(gè)TDC進(jìn)行差分模式優(yōu)化配置，本方案實(shí)際上沒有消隱時(shí)間。主要性能如下：

- LIDAR脈沖飛行時(shí)間(ToF)測(cè)量;

- 距離分辨率; <1cm

- TDC分辨率達(dá)1.65cm，白噪聲1.05cm RMS

- TX能量：70W峰值(40ns以上)

- ToF測(cè)量：脈沖式ToF

- ToF分辨率：55ps

- ToF重復(fù)度：35ps

- TX功率：peak 70W

- TX脈沖寬度：40ns

- TX脈沖上升時(shí)間：10ns

- 最大距離： >100m

- 采樣率：>50kHz

- SNR：88dB

芯齊齊BOM分析

本設(shè)計(jì)采用10個(gè)TI芯片。其中，TDC7200是一款采用14引腳TSSOP封裝的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，工作溫度范圍-40 to 85°C，適用于水表、燃?xì)獗砗蜔崃坑?jì)等超聲波感測(cè)裝置，允許用戶靈活選擇回聲性能最佳的STOP脈沖。該器件內(nèi)置自校準(zhǔn)時(shí)基，可對(duì)時(shí)間和溫度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，分辨率55ps，標(biāo)準(zhǔn)偏差35ps，測(cè)量范圍12-500ns(模式1)、250ns至8ms(模式2)，低功耗0.5μA(2SPS)，最多支持5個(gè)STOP信號(hào)，可用于水表、燃?xì)獗砗蜔崃坑?jì)等。

OPA857是一款采用3×3mm VQFN封裝寬帶、快速過驅(qū)動(dòng)恢復(fù)、快速穩(wěn)定、超低噪聲跨阻AO4807L放大器，適用于光電二極管監(jiān)控應(yīng)用。憑借可選擇的反饋電阻，極快的過載恢復(fù)時(shí)間和內(nèi)部輸入保護(hù)，OPA857可保護(hù)信號(hào)鏈的其余部分免受過驅(qū)動(dòng)，同時(shí)最大限度地縮短恢復(fù)時(shí)間。OPA857工作電壓2.7V至3.6V，工作溫度范圍–40°C至+85°C，應(yīng)用于光電二極管監(jiān)控、高速I/V轉(zhuǎn)換、光放大器、CAT掃描儀前端等。

TLV3502是4.5ns軌到軌推挽輸出比較器，采用SOIC8封裝。TLV3502電源電壓2.7~5.5V,，靜態(tài)電流3.2mA，輸入偏置電流2pA，輸出類型CMOS、Push-Pull、Rail-to-Rail、TTL，PSRR(典型值)70dB和100dB，傳播延遲時(shí)間4.5ns，工作溫度-40~+125℃。

TPL0202是具有SPI和非易失性存儲(chǔ)器的256抽頭雙通道數(shù)字電位器，端對(duì)端電阻值為10kΩ，上電時(shí)間小于<100μs，電壓分配±1 LSB INL、±0.5 LSB DNL，工作電壓2.7-5.5V，工作溫度范圍–40°C to +105°C。

SPLLL90-3紅外脈沖激光管來自O(shè)SRAM，采用Nanostack芯片技術(shù)，激光孔徑200×10微米，實(shí)現(xiàn)70W~75W的典型光輸出，光峰值功率高達(dá)70瓦，激光波長905納米。SPLLL90-3工作溫度范圍-40℃~ +100℃，適合于從1至100ns的短激光脈沖，例如激光測(cè)距儀、智能汽車、交通監(jiān)控、激光距離傳感器等。

本設(shè)計(jì)為精密測(cè)距系統(tǒng)，除了上拉的R3可用5% 精度外，其余電阻器均采用1%精密電阻器。在PCB布線時(shí)應(yīng)避免長走線。由于本系統(tǒng)發(fā)出高度集中的非有形紅外光，這是危害人眼睛的光，這些產(chǎn)品安全預(yù)防措施應(yīng)以《IEC 60825-1 激光產(chǎn)品的安全》為準(zhǔn)。

審核編輯：湯梓紅