基于TDC7200的LIDAR脈沖飛行時間系統(tǒng)參考設計

現實中很多物體應用是無法通過物理接觸來測量目標物體的距離的，例如物流中心傳送帶上的物體，移動機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量技術選項包括：渦電流、超聲波和光線。其中，激光探測和測距(Light distance and ranging，LIDAR)又稱激光雷達，通過從物體發(fā)出及返回的光線數據測量目標物體的距離。要構建一個LIDAR系統(tǒng)，可采用高速模數轉換器(ADC)，或者時間數字轉換器(TDC)。

方案特點

本設計基于TDC及相關前端，是一個面向工廠自動化的光學接近傳感器、光學液位傳感器和無極人的LIDAR系統(tǒng)時間測量后端方案。系統(tǒng)按最高級別測量傳感器于第一個障礙物之間的距離，依據是TDC測得的脈沖激光的往返時間，TDC的計時分辨率為55ps。系統(tǒng)采用相移方法處理ToF擴散，光學系統(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量距離。

系統(tǒng)對距離感測關鍵是TDC，以TDC7200為例，4.6ms ToF對應于1379km距離，LIDAR的設計距離不受TDC測量范圍的影響。系統(tǒng)中，TDC7200相當于一個秒表，測量START脈沖到第五個STOP脈沖之間的持續(xù)時間，這種測量START脈沖與多達5個STOP脈沖之間的時間間隔，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具有內部自校準時間基準，對事件和溫度漂移進行了補償，非常適合高精度測量。如果采用自主多周期平均模式(Autonomous Multi-Cycle Averaging Mode)，TDC7200可優(yōu)化實現低功耗，用于電池供電的流量表。這種模式下，主機可休眠以節(jié)約功耗，在TDC測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TDC7200器件，雖然具有12ns消隱時間，這對小物體測量來說已經是太大了。通過對兩個TDC進行差分模式優(yōu)化配置，本方案實際上沒有消隱時間。主要性能如下：

- LIDAR脈沖飛行時間(ToF)測量;

- 距離分辨率; <1cm

- TDC分辨率達1.65cm，白噪聲1.05cm RMS

- TX能量：70W峰值(40ns以上)

- ToF測量：脈沖式ToF

- ToF分辨率：55ps

- ToF重復度：35ps

- TX功率：peak 70W

- TX脈沖寬度：40ns

- TX脈沖上升時間：10ns

- 最大距離： >100m

- 采樣率：>50kHz

- SNR：88dB

芯齊齊BOM分析

本設計采用10個TI芯片。其中，TDC7200是一款采用14引腳TSSOP封裝的時間-數字轉換器(TDC)，工作溫度范圍-40 to 85°C，適用于水表、燃氣表和熱量計等超聲波感測裝置，允許用戶靈活選擇回聲性能最佳的STOP脈沖。該器件內置自校準時基，可對時間和溫度偏差進行補償，分辨率55ps，標準偏差35ps，測量范圍12-500ns(模式1)、250ns至8ms(模式2)，低功耗0.5μA(2SPS)，最多支持5個STOP信號，可用于水表、燃氣表和熱量計等。

OPA857是一款采用3×3mm VQFN封裝寬帶、快速過驅動恢復、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)控應用。憑借可選擇的反饋電阻，極快的過載恢復時間和內部輸入保護，OPA857可保護信號鏈的其余部分免受過驅動，同時最大限度地縮短恢復時間。OPA857工作電壓2.7V至3.6V，工作溫度范圍–40°C至+85°C，應用于光電二極管監(jiān)控、高速I/V轉換、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，傳播延遲時間4.5ns，工作溫度-40~+125℃。

TPL0202是具有SPI和非易失性存儲器的256抽頭雙通道數字電位器，端對端電阻值為10kΩ，上電時間小于<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OSRAM，采用Nanostack芯片技術，激光孔徑200×10微米，實現70W~75W的典型光輸出，光峰值功率高達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，例如激光測距儀、智能汽車、交通監(jiān)控、激光距離傳感器等。

本設計為精密測距系統(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布線時應避免長走線。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，這些產品安全預防措施應以《IEC 60825-1 激光產品的安全》為準。

審核編輯：湯梓紅