利用高速ADC設(shè)計(jì)用于汽車的LIDAR系統(tǒng)

隨著模擬技術(shù)的不斷改善，LIDAR在很多具有廣泛前景的領(lǐng)域得到應(yīng)用，ADC技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)更高精度和更低功率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)成熟的LIDAR系統(tǒng)，可以根據(jù)交通情況自動(dòng)地控制汽車速度和剎車系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)還能動(dòng)態(tài)地控制與其它汽車和障礙物的距離，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(yīng)用，這種系統(tǒng)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(yuǎn)處目標(biāo)發(fā)射回來(lái)的窄脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。這種ADC需要非常快的采樣速率、很高的模擬輸入帶寬以及低功耗。圖1顯示了LIDAR系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)化功能框圖。

可選的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

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

LIDAR系統(tǒng)可以測(cè)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(tǒng)和大氣能見(jiàn)度、目標(biāo)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(shù)決定于具體的應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(cè)量的準(zhǔn)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(jù)不同的應(yīng)用需求，所用的激光功率在幾毫瓦到幾百瓦之間。半導(dǎo)體脈沖激光的距離計(jì)算公式基于功率以及其它的系統(tǒng)和大氣條件，LIDAR系統(tǒng)相對(duì)于一個(gè)外部物體的往返距離計(jì)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(tǒng)面積(鏡頭或鏡面)，Ta為大氣能見(jiàn)度，To為光學(xué)系統(tǒng)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(duì)于接收器中的低功率激光檢測(cè)，設(shè)計(jì)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(cè)量?jī)x表和航空航天應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，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(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。好的互阻抗放大器應(yīng)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(jí)用于滿足這些要求。采用高性能器件可以達(dá)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(shù)字化之前轉(zhuǎn)換為一種差分信號(hào)并進(jìn)行放大。

發(fā)送的脈沖信號(hào)通常被大氣環(huán)境等因素衰減，導(dǎo)致發(fā)射脈沖信號(hào)與接收信號(hào)之間存在很大強(qiáng)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(hào)到接收器，這導(dǎo)致對(duì)接收系統(tǒng)苛刻的動(dòng)態(tài)范圍要求，這種接收系統(tǒng)必須具有足夠的靈敏度來(lái)處理滿功率脈沖或超低功率的脈沖信號(hào)。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ADC之前的前端電路中采用可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)或者數(shù)字VGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示(CLC5526為數(shù)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(shù)字VGA實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍

高采樣速率提高LIDAR系統(tǒng)精度

距離測(cè)量可以達(dá)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(nèi)，光的傳播距離為0.3m。因此，在1GSPS采樣速率下，分辨率為30cm/m。這意味著在任何距離下，采樣速率為1GSPS時(shí)可以達(dá)到+/- 15cm的精度。隨著采樣速率的降低，誤差將增加。

如前面所述，通過(guò)反射光脈沖的波長(zhǎng)改變可以確定目標(biāo)的某些物理特性，這稱為多普勒位移。為測(cè)量窄脈沖波長(zhǎng)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(biāo)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(duì)于數(shù)字概念來(lái)說(shuō)，還對(duì)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(xiàn)

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(dá)到的。增加采樣速率的好處是可以得到更精細(xì)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(zhàn)是ADC輸出數(shù)據(jù)流的同步。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者必須準(zhǔn)確地知道ADC輸出的哪個(gè)字(word)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)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(zhǔn)確地復(fù)位其采樣時(shí)鐘輸入與數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘(DCLK)輸出之間的關(guān)系，這種關(guān)系是由用戶提供的DCLK_RST脈沖決定的。這樣可以允許一個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)ADC的DCLK(和數(shù)據(jù))輸出轉(zhuǎn)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(fù)位時(shí)序。

信號(hào)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，圖3中的設(shè)計(jì)時(shí)間是難以實(shí)現(xiàn)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(shù)是50 K?(內(nèi)部偏置電阻)