时间数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)是一种将连续时间信号转换为数字信号输出的器件, 是飞行时间(TOF)激光雷达中的关键部件。在利用计数器粗采样和多相位内插细采样的传统结构上, 设计了一种基于相位内插的双级粗细结合型时间数字转换电路, 并增加了双回波接收通路来接收多脉冲回波信号, 在此基础上设计了一款17通道多路TDC系统芯片。芯片采用CMOS 0.11μm工艺设计, 版图面积为0.6mm×3mm。后仿真结果显示, 在1.2V电源下其功耗小于100mW, 单输入精度平均值为51.7ps, 动态范围为3.4μm, 且线性度良好。该TDC芯片适用于飞行时间脉冲激光雷达的信号计时。

高精度脉冲式激光测距的精度与时间数字转换器(TDC)的精度密切相关,基于现场可编程门阵列(FPGA)的多通道TDC可有效降低系统的复杂度、提高测量效率。利用Xilinx Kintex-7系列内的CARRY4模块构造延迟链作为细计数,用25位200 M的系统时钟进行粗计数,采用粗细结合的方式,在FPGA芯片内设计并验证了8通道高精度TDC。针对延迟单元的超前进位特性及其受温度电压影响的非线性时延,利用码密度测试法和在线校准法进行校准。实验结果表明,设计的8通道TDC分辨率小于35 ps,精度为36.8 ps,误差峰峰值为157.2 ps,量程为167.77 ms。