一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路
技术领域
本发明涉及一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路，即TDC电路，属于集成电路领域。
背景技术
时间数字转化器是一种将模拟时间量转换为数字信号的转换电路，用于测量时间间隔。随着光子飞行时间（Time of Flight，TOF）技术在激光测距领域中的兴起，时间数字转换器变得日益重要，逐渐成为一项关键技术。时间数字转化器的分辨率，直接决定了激光测距的测距精度。而高精度的测距要求在很多应用中都是必不可少的，比如在航天器的对接应用中，测距精度要求达到毫米量级，对应的时间间隔精度要求达到几个皮秒级别。另一方面，时间数字转化器的量程也非常重要，其直接决定了测距的最大距离范围。
单光子雪崩二极管（Single photon avalanche diode，SPAD）具有光子级探测灵敏度，在激光测距应用中有独特的优势。一个SPAD单管作为单点测距的探测器，需要集成一个时间数字转换电路，这就要求时间数字转化器的版图占用面积不能过大。
目前，已有技术中，传统的模数转换器电路结构复杂，转换速度和转换精度都不高；已有的时间数字转换电路技术，电路结构设计也不够精简，版图占用面积大，尤其是量程要求较大的时间数字转换电路，其版图面积会成倍扩大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路，电路结构较为简单，采用环形结构有效克服版图面积过大问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路，采用缓冲器做延时环，整个延时环的延时周期为一级粗计数，由计数器记录其周期数；采用一系列D触发器，每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出，D触发器的时钟信号输入端接stop信号，输出端接编码器，所述系列D触发器为二级细计数，编码器输出细计数时间对应的数字信号。start信号通过多路复用电路输入延时环，延时环最后一级缓冲器将信号输入到多路复用器，使信号再次进入延时环，实现延时环首尾连接。所述一级粗计数与二级细计数共同作用，将时间信息转化为数字信息。
工作时，SPAD首先输出一个start信号，该信号经过多路复用器输入到延时环中，经过一个周期的延时后，信号由最后一级缓冲器反馈到多路复用器，形成首尾连接的延时环；每延时一个周期，最后一级的缓冲器同时将信号传输给计数器，记录周期数。当SPAD产生stop信号时，stop信号同时输入到所有D触发器的时钟输入端，将延时环对应的D触发器的当前状态记录，并将当前状态输出给编码器。通过编码器和计数器记录的数字信号数据，可以计算得到start信号与stop信号间的时间信息。
有益效果：本发明提供的一种应用于SPAD探测器的环形时间数字转换电路，相对于现有技术，具有如下优势：1、电路结构简单，尤其适合与SPAD探测器片上集成，2、采用延时环结构，引入粗计数与细计数共同作用模式，可以在减小版图占用面积的同时，保证时间数字转换电路的量程。
附图说明
图1为本发明提供的环形时间数字转换电路的结构示意图；
图2为本发明提供的环形时间数字转换电路的工作时序图示例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示是本发明提供的环形时间数字转换电路的结构示意图，采用缓冲器做延时环，整个延时环的延时周期为一级粗计数，由计数器记录其周期数；采用一系列D触发器，每个D触发器输入端接应延时环上对应缓冲器的输出，D触发器的时钟信号输入端接stop信号，输出端接编码器，所述系列D触发器为二级细计数，编码器输出细计数时间对应的数字信号。start信号通过多路复用电路输入延时环，延时环最后一级缓冲器将信号输入到多路复用器，使信号再次进入延时环，实现延时环首尾连接。所述一级粗计数与二级细计数共同作用，将时间信息转化为数字信息。
工作时，SPAD首先输出一个start信号，该信号经过多路复用器输入到延时环中，经过一个周期的延时后，信号由最后一级缓冲器反馈到多路复用器，形成首尾连接的延时环；每延时一个周期，最后一级的缓冲器同时将信号传输给计数器，记录周期数。当SPAD产生stop信号时，stop信号同时输入到所有D触发器的时钟输入端，将延时环对应的D触发器的当前状态记录，并将当前状态输出给编码器。通过编码器和计数器记录的数字信号数据，可以计算得到start信号与stop信号间的时间信息。
如图2所示是本发明提供的环形时间数字转换电路的工作时序图示例，上面是由SPAD探测器输出的、接入多路复用器的start信号，下面是由SPAD探测器输出的、接入stop端的stop信号。图中，Δt是整个延时环延时一圈的时间周期，Δt1是单个缓冲器的延时时间，图中示例Δt等于5个Δt1表示有五个缓冲器，但本发明不限制缓冲器个数为5。延迟环每延迟一圈最后一级缓冲器触发计数器值加1，故计数器值N表示粗计数个数，即Δt的个数。编码器将所有D触发器的输出Q值作编码输出，Q值是stop信号到来时锁存住的延时环中每个缓冲器的状态，通过输出的Q值可以计算细计数的个数NQ。可以得到，粗计数时间为N*Δt，细计数时间为NQ*Δt1，两者时间和N*Δt + NQ*Δt1即为start信号与stop信号之间的时间间隔。
