利用高速ADC設計用于汽車(chē)的LIDAR系統

隨著(zhù)模擬技術(shù)的不斷改善，LIDAR在很多具有廣泛前景的領(lǐng)域得到應用，ADC技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現更高精度和更低功率的系統設計。

汽車(chē)系統設計師開(kāi)發(fā)成熟的LIDAR系統，可以根據交通情況自動(dòng)地控制汽車(chē)速度和剎車(chē)系統，這樣的系統還能動(dòng)態(tài)地控制與其它汽車(chē)和障礙物的距離，甚至能管理像氣囊這樣的安全功能。該技術(shù)的發(fā)展大大提高了駕駛員的舒適性和安全性。

圖1LIDAR組成框圖

無(wú)論是什么應用，這種系統的接收路徑上的關(guān)鍵模擬器件都是ADC，它用于將從近處或遠處目標發(fā)射回來(lái)的窄脈沖信號進(jìn)行數字化處理。這種ADC需要非?？斓牟蓸铀俾?、很高的模擬輸入帶寬以及低功耗。圖1顯示了LIDAR系統的一個(gè)簡(jiǎn)化功能框圖。

可選的系統實(shí)現方法

當前最常用的方法是具有相位比較功能的連續波(CW)激光和脈沖激光。CW激光系統的工作原理是：目標物體反射回一個(gè)原始發(fā)射信號的移相信號，接收器將收到的移相信號與原始信號進(jìn)行比較，相位比較器的輸出可以用于計算距離。正如其名所指，脈沖激光系統發(fā)射和接收短光脈沖信號。半導體脈沖激光用于要求低成本、低功耗、小尺寸和輕重量的應用中。半導體脈沖激光需要在接收器中采用非?？斓腁DC，這是當前最常用的方法，也是本文討論的重點(diǎn)。

LIDAR系統可以測量的距離取決于以下幾個(gè)因素：激光峰值功率、激光的發(fā)散性、光學(xué)系統和大氣能見(jiàn)度、目標物體的反射特性以及檢光器的靈敏度。能見(jiàn)度和反射系數決定于具體的應用，設計的靈活性很大程度上取決于激光源的功率和接收器的靈敏度。TOF測量的準確性取決于激光的脈寬以及所使用的ADC的速度和精度。

根據不同的應用需求，所用的激光功率在幾毫瓦到幾百瓦之間。半導體脈沖激光的距離計算公式基于功率以及其它的系統和大氣條件，LIDAR系統相對于一個(gè)外部物體的往返距離計算公式是：距離=√ [(P * A* Ta * To)/(Ds * PI * B)]式中，P為激光功率，A為Rx光學(xué)系統面積(鏡頭或鏡面)，Ta為大氣能見(jiàn)度，To為光學(xué)系統的能見(jiàn)度，Ds為檢光器靈敏度，B為光束的輻射發(fā)散性。

對于接收器中的低功率激光檢測，設計師具有三個(gè)基本的檢光器選擇：硅PIN檢光器、雪崩光電二極管(APD)和光電倍增管(PMT)。APD廣泛用于測量?jì)x表和航空航天應用中，提供了其它檢光器所不可比擬的高速和高靈敏度性能。

接收器中的APD將接收到的光脈沖信號轉變?yōu)殡娦盘?，輸出與入射光成正比的電流，用互阻抗放大器將這個(gè)輸出電流轉換為電壓信號。好的互阻抗放大器應該具有高增益、高輸入阻抗、超低電壓和電流噪聲以及低輸入電容，它通常具有一個(gè)FET或MOS輸入級用于滿(mǎn)足這些要求。采用高性能器件可以達到輸入噪聲電壓小于1.0 nv√Hz、電流噪聲小于15 fA√Hz的性能?；プ杩狗糯笃鞯妮敵鐾ǔＴ谟葾DC進(jìn)行數字化之前轉換為一種差分信號并進(jìn)行放大。

發(fā)送的脈沖信號通常被大氣環(huán)境等因素衰減，導致發(fā)射脈沖信號與接收信號之間存在很大強度差異。發(fā)射器鄰近的物體也可能會(huì )反射回高功率信號到接收器，這導致對接收系統苛刻的動(dòng)態(tài)范圍要求，這種接收系統必須具有足夠的靈敏度來(lái)處理滿(mǎn)功率脈沖或超低功率的脈沖信號。因此，100dB的動(dòng)態(tài)范圍要求并不鮮見(jiàn)，這種動(dòng)態(tài)范圍通常是在A(yíng)DC之前的前端電路中采用可變增益放大器(VGA)或者數字VGA來(lái)實(shí)現的，如圖2所示(CLC5526為數字VGA，ADC08D1000為雙路低功耗、1.6GSPS的8位ADC)。

圖2　在前端電路中采用數字VGA實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍

高采樣速率提高LIDAR系統精度

距離測量可以達到的精度與ADC采樣頻率直接相關(guān)。由于光速C = 3E+08 m/s，而采樣速率為1GSPS的ADC的時(shí)鐘周期為1ns。在1ns的采樣時(shí)間內，光的傳播距離為0.3m。因此，在1GSPS采樣速率下，分辨率為30cm/m。這意味著(zhù)在任何距離下，采樣速率為1GSPS時(shí)可以達到+/- 15cm的精度。隨著(zhù)采樣速率的降低，誤差將增加。

如前面所述，通過(guò)反射光脈沖的波長(cháng)改變可以確定目標的某些物理特性，這稱(chēng)為多普勒位移。為測量窄脈沖波長(cháng)的改變，需要采樣速率為1GSPS或更高的ADC。

接收脈沖的形狀也包含目標物體的特性信息。只有非常高的過(guò)采樣率才能確定脈沖形狀，過(guò)采樣對于數字概念來(lái)說(shuō)，還對處理增益有好處，更高的處理增益可以得到更高的信噪比(SNR)。

多個(gè)ADC的同步實(shí)現

多個(gè)ADC交替工作來(lái)增加采樣速率，這個(gè)采樣速率是單個(gè)器件目前尚不能達到的。增加采樣速率的好處是可以得到更精細的脈沖形狀和更高的時(shí)序精度。本文談到的一個(gè)ADC固有的挑戰是ADC輸出數據流的同步。系統開(kāi)發(fā)者必須準確地知道ADC輸出的哪個(gè)字(word)對應于系統前端采樣的脈沖?！　楹?jiǎn)化這種時(shí)間交替處理，采用ADC08Dxxx系列芯片能夠準確地復位其采樣時(shí)鐘輸入與數據輸出時(shí)鐘(DCLK)輸出之間的關(guān)系，這種關(guān)系是由用戶(hù)提供的DCLK_RST脈沖決定的。這樣可以允許一個(gè)系統中的多個(gè)ADC的DCLK(和數據)輸出轉換可以與它們用來(lái)采樣的共享CLK輸入發(fā)生在同一時(shí)間點(diǎn)上。

圖3　DDR模式下DCLK的復位時(shí)序。

信號在FR04 PCB上的傳輸速度為20cm/ns(即每50ps1cm)，如果ADC相互并不是很靠近的話(huà)，圖3中的設計時(shí)間是難以實(shí)現的。

在這情況下，建議短時(shí)間(小于50ns)停止時(shí)鐘，這樣，在DCLK_Res置位期間維持交流耦合。推薦輸入時(shí)鐘采用交流耦合。交流耦合電容的時(shí)間常數是50 K?(內部偏置電阻)