时间测量电路、时间测量方法、时间测量芯片、时间测量模组和电子设备

摘要

本申请公开了一种时间测量电路、时间测量方法、时间测量芯片、时间测量模组和电子设备，涉及时间测量和深度测量技术领域。本申请的时间测量电路包括：信号选择输出模块，用于接收第一信号、第二信号和参考时钟信号，并选择输出的测量信号，其中，所述测量信号为所述第一信号、所述第二信号、所述参考时钟信号以及调整后的参考时钟信号中的一种；时间测量模块，用于校准时间测量精度及测量所述第一信号和所述第二信号之间的时间间隔。本申请还提供基于上述时间测量电路的时间测量方法、时间测量芯片、时间测量模组以及电子设备。本申请在时钟频率提升空间有限的条件下，可以快速实现皮秒级别以内的高精度时间测量。

说明书

技术领域

本申请涉及测时和深度测量技术领域，尤其涉及一种时间测量电路、时间测量方法、时间测量芯片、时间测量模组和电子设备。

背景技术

TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转换器)是一种将时间间隔转换为数字量输出的器件，广泛使用于需要高精度时间测量的测距传感领域，如照相对焦、物体识别、增强现实(AR)、三维建模、实景导航等。传统的TDC由多相位环形振荡器(multi-phasering oscillator)及D触发器组成，通过模拟方法进行设计。

然而，采用传统模拟方法设计时通常使用高频时钟PLL和环形振荡器产生多种相位的时钟作为TDC的精度测量单位，当精度要求越高，就需要越高的PLL时钟，使得设计难度增加，并且时钟频率提高将导致电路功耗增加。这种模拟方法还存在易受外界干扰、控制复杂、面积功耗大等技术问题，难以在集成电路上迅速实现。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种时间测量电路、方法、芯片、模组和设备，用以取代传统模拟方法并实现高精度时间长度测量精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种时间测量电路，所述电路包括：

信号选择输出模块，用于接收第一信号、第二信号和参考时钟信号，并选择输出测量信号，其中，所述测量信号为所述第一信号、所述第二信号、所述参考时钟信号以及调整后的参考时钟信号中的一种；

时间测量模块，用于校准时间测量精度，并测量所述第一信号和所述第二信号之间的时间间隔。

第二方面，本申请实施例还提供一种基于前述的时间测量电路的时间测量方法，所述方法包括：

S1：获取所述时间测量电路的测量精度；

S2：根据所述测量精度，获取第一信号上升沿和第一信号上升沿之后首个参考时钟上升沿之间的时间间隔，记为第一时间间隔；

S3：根据所述测量精度，获取第二信号上升沿和第二信号上升沿之后首个参考时钟上升沿之间的时间间隔，记为第二时间间隔；

S4：获取所述第一信号上升沿之后首个参考时钟上升沿和所述第二信号上升沿之后首个参考时钟上升沿之间的参考时钟周期个数；

S5：根据所述第一时间间隔、第二时间间隔和所述参考时钟周期个数，获取所述第一信号和所述第二信号之间的时间间隔。

第三方面，本申请实施例提供了一种时间测量芯片，所述时间测量芯片包括：

如第一方面任一项所述的时间测量电路；以及

模数转换电路，用于模拟信号转换为数字信号并输入到所述时间测量电路。

第四方面，本申请实施例提供了一种时间测量模组，所述模组包括：

发射器，用于发射检测信号；

接收器，用于接收所述检测信号对应的反射信号；

如第三方面所述的时间测量芯片，所述时间测量芯片与所述发射器和所述接收器连接，用于测量所述发射器发射的检测信号和所述接收器接收到所述检测信号对应的反射信号的时间间隔。

第五方面，本申请实施例提供了一种电子设备，所述电子设备包括如第四方面所述的时间测量模组。所述电子设备是智能手机、无人机、可移动机器人、智能电视机、AR/VR设备、3D深度测量设备中任一种、两种或多种。

综上所述，本申请的有益效果如下：

本申请实施例的时间测量电路通过信号选择输出模块和时间测量模块实现了时间测量精度的校准和测量信号的时间测量。在时钟频率提升空间有限的条件下，可以快速实现皮秒以下的高精度时间测量，在目前普遍的工艺下，可实现约30ps的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，这些均在本申请的保护范围内。

图1是本申请实施例中时间测量电路的结构示意图。

图2是本申请实施例中信号选择输出模块的示意图。

图3是本申请实施例中信号选择输出模块的另一示意图。

图4是本申请实施例中时间测量模块的示意图。

图5是本申请实施例中时间测量电路的另一种结构示意图。

图6是本申请实施例中时间测量电路的一种示意图。

图7是本申请实施例中时间测量电路的另一种示意图。

图8是本申请实施例中时间测量方法的流程示意图。

图9是本申请实施例中时间测量方法中获取第一信号和第二信号时间间隔的波形示意图。

图10是本申请实施例中时间测量方法中获取时间测量精度的波形示意图。

图11是本申请实施例中时间测量方法中获取第一信号上升沿与锁存第一信号上升沿之间时间间隔的波形示意图。

图12是本申请实施例的时间测量芯片的结构示意图。

图13是本申请实施例的时间测量模组的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本申请实施例中时间测量电路的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供了一种时间测量电路10，该时间测量电路10包括：信号选择输出模块11和时间测量模块12。

信号选择输出模块11，用于接收第一信号、第二信号和参考时钟信号，并选择输出的测量信号，其中，测量信号为第一信号、第二信号、参考时钟信号以及调整后的参考时钟信号中的一种。第一信号、第二信号可以是如低电平-高电平的上升沿信号，也可以是如低电平-高电平-低电平的脉冲信号。在一些实施例中，第一信号为TOF(Time Of Flight，飞行时间)测距模组发射端发出的经过模数转换后的Start信号，第二信号为TOF测距模组接收端接收的经过模数转换后的Stop信号。可选地，在其他一些实施例中，第一信号也可以为上述Stop信号，第二信号也可以为上述Start信号，本申请对此不作具体限定。参考时钟信号可以是多相位环形振荡器产生的高频脉冲信号，也可以是其它信号，本申请对此不作限定。信号选择输出模块11的接收端将接收第一信号、第二信号和参考时钟信号，并且选择第一信号、第二信号、参考时钟信号或者经过调整后的参考时钟信号中的任一种信号输出至时间测量模块12。

时间测量模块12，用于校准时间测量精度，并测量所述第一信号和所述第二信号之间的时间间隔。当时间测量模块12接收到的信号为参考时钟信号或者是调整后的参考时钟信号时，则进行时间测量精度测量或校准；当接收到的信号先是第一信号再是第二信号时，或者先是第二信号再是第一信号时，则进行第一信号和第二信号之间时间间隔的测量。本申请可以在测量之前的空闲状态下实时进行校准分辨率(测量精度)，减少不同环境温度等带来的误差影响。

在一个实施例中，如图2所示，信号选择输出模块11包括：第一选择单元111和第二选择单元112，其中，第一选择单元111例如为逻辑电路中的两输入或门，当然也可以是其它具有信号选择输入功能的电路，第一选择单元111的两个输入端分别用于接收第一信号和第二信号，第一选择单元111的输出端用于连接第二选择单元112的输入端。

第二选择单元112例如为逻辑电路中的两输入或门，当然也可以是其它具有信号选择输入功能的电路，第二选择单元112的一个输入端连接第一选择单元111的输出端，第二选择单元112的另一个输入端接收参考时钟信号，第二选择单元112的输出端连接延时链的第一延时单元(I1)的输入端。

在一些实施例中，如图3所示，信号选择输出模块11包括：第一选择单元111、第二选择单元112、正负脉冲发生单元114和调度单元113。其中，第一选择单元111和第二选择单元112请参见前面对图2的描述，在此不再赘述。不同之处在于，正负脉冲发生单元114的输入端接收参考时钟信号，正负脉冲发生单元114的输出端连接第二选择单元112的其中一个输入端。正负脉冲发生单元114用于将参考时钟信号调整为正单周期时钟信号或负单周期时钟信号。本申请通过同时实时地使用正单周期时钟信号(正脉冲信号)和负单周期时钟信号(负脉冲信号)对反相器延时链进行校准，以计算出单个反相器的延时值相对于单个参考时钟信号周期的比例，减少单独使用正脉冲或者负脉冲电路响应误差累积的影响。

所述调度单元113用于控制所述正负脉冲发生单元114将输入的所述参考时钟信号调整为所述正单周期时钟信号或所述负单周期时钟信号。将正单周期时钟信号和负单周期时钟信号循环若干次输入到时间测量模块12中，可以对时间测量精度进行校准，获得更精确的时间测量精度，提高测量信号时间测量结果的准确性。

在一个实施例中，如图4所示，时间测量模块12包括延时链121和锁存模块122，其中，延时链121用于从所述信号选择输出模块11接收所述测量信号，延时链121包括n个延时单元(I

锁存模块122则用于锁存延时链121的输出信号，锁存模块122包括n个锁存单元(D1-Dn)，其中，n个锁存单元(D1-Dn)均包括两个输入端，每一锁存单元的一个输入端与一个延时单元的输出端相连，另一个输入端则用于接收参考时钟信号。

采用延时链121和锁存模块122进行时间测量的原理是使被测信号(上升沿信号)通过延时链121进行传输，在被测信号的上升沿之后的第一个参考时钟信号的上升沿触发锁存模块122锁存延时链121的状态值，获取延时链121的输出信号可以得到被测信号与所述被测信号信上升沿之后的第一个参考时钟信号的上升沿之间的时间差值，每一个延时单元之间的信号延迟时间就是测量的分辨率。

在一个实施例中，延时链121包括若干延时单元，延时单元优选为反相器。目前反相器的制造工艺可以做到40nm级别，在此制造工艺下反相器的延迟最小可以达到30ps左右，因为整个时间测量电路的分辨率(精度)取决于延时单元的延时，因此使用反相器可以使时间测量的精度达到30ps左右。在一些实施例中，也可以选用Buffer单元，不过因为Buffer单元对信号上升沿或下降沿有不同的响应延时，由此影响测量结果，而选用反相器则可以避免这个问题。

在一个实施例中，锁存模块122中的锁存单元为D触发器，D触发器的一个输入端连接延时单元的输出端，另一个输入端接收参考时钟信号，并被配置为在一个预设的参考时钟信号上升沿的时候锁存延时单元的状态值，或者根据这些延时单元的状态值就可以得知沿延时链传递的测量信号与预设的参考时钟信号上升沿之间的时间延时。

在一个实施例中，如图5所示，时间测量电路10还包括译码模块13，译码模块13与时间测量模块12中的锁存模块122相连，用于将锁存模块122的输出转换为便于读取的二进制数据。

优选地，时间测量电路10的结构示意图如图6所示，信号选择输出模块11中的第一选择单元111的两个输入端分别接收第一信号和第二信号，第一选择单元111的输出端连接第二选择单元112的输入端；第二选择单元112的一个输入端连接第一选择单元111的输出端，第二选择单元112的另一个输入端接收参考时钟信号，第二选择单元112的输出端连接延时链121的第一延时单元I

优选地，时间测量电路10的结构示意图如图7所示，信号选择输出模块11中的第一选择单元111的两个输入端分别接收第一信号和第二信号，第一选择单元111的输出端连接第二选择单元112的一个输入端；正负脉冲发生单元114的输入端接收参考时钟信号，正负脉冲发生单元114的输出端连接第二选择单元112的另一个输入端；第二选择单元112的输出端连接延时链121的第一延时单元I1的输入端。延时链121包括了n个延时单元，同样，锁存模块122包括了n个锁存单元，延时链121中每一个延时单元的输出端都与锁存模块122中的一个D触发器的一个输入端相连，锁存模块122中每一个锁存单元的输出端都连接到译码模块13中。

此外需要说明的是，在本申请实施例中对n的取值可以根据对时间测量模块12的测量精度需求而定，在此不做具体限定。

另外，时间测量电路10可以是专用的集成电路，该电路10例如可以集成在现场可编程门阵列(FPGA)芯片中，也可以集成在专用集成电路(ASIC)芯片中，本申请实施例对此不做具体限定。

上文结合图1至图7，详细描述了本申请的时间测量电路的实施例，下面结合图8、图9和图10，详细描述基于上述时间测量电路，提出的一种时间测量方法的实施例。应理解，本申请的方法实施例的描述与装置实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面时间测量电路的实施例。

实施例二

请参阅图8为本申请实施例提供的时间测量方法流程示意图，所述方法基于上述时间测量电路来实现，包括以下步骤：

S1：获取时间测量电路的测量精度；

S2：根据所述测量精度，获取第一信号上升沿和第一信号上升沿之后的首个参考时钟信号的上升沿之间的时间间隔，记为第一时间间隔；

S3：根据所述测量精度，获取第二信号上升沿和第二信号上升沿之后的首个参考时钟信号的上升沿之间的时间间隔，记为第二时间间隔，同时获取第一信号上升沿之后的首个参考时钟信号的上升沿和第二信号上升沿之后的首个参考时钟信号的上升沿之间的参考时钟周期个数；

S4：根据所述第一时间间隔、第二时间间隔和所述参考时钟周期个数，获取所述第一信号和第二信号之间的时间间隔。

采用本申请实施例进行第一信号和第二信号之间间隔时间的测量原理如图9所示，第一信号和第二信号之间的延时时间可以用以下公式(1)计算：

△T＝N×Tclk+△Ta-△Tb (1)

上述公式(1)中，△T为第一信号上升沿和第二信号上升沿之间的时间差，Tclk为参考时钟信号的时钟周期，N为第一信号和第二信号之间相差的参考时钟信号的周期个数，△Ta为第一信号上升沿与第一信号上升沿之后的第一个参考时钟信号上升沿之间的时间差，△Tb为第二信号上升沿与第二信号上升沿之后的第一个参考时钟上升沿之间的时间差。

在一个实施例中，采用如图6所述的时间测量电路进行第一信号和第二信号之间延时时间的测量。因为时间测量电路测量精度(即测量分辨率)取决于延时单元的延时大小，记一个延时单元的延时大小为单位延时Tinv，计算△T之前，首先计算Tinv的大小。如图6中信号选择输出模块11选择将参考时钟信号输入至延时链121中，同时在锁存模块122中输入所述参考时钟信号，如图10所示，参考时钟信号的第一个时钟上升沿从延时链中第一延时单元顺序传递至所述延时链的第n延时单元，每传递过一个延时单元第一个时钟上升沿相应产生一个单位延时。锁存模块122则在输入的参考时钟信号的第二个时钟上升沿到来时锁存相应延时单元的状态值，通过译码模块13获取在一个时钟周期内第一个时钟上升沿经延时链顺序传递对应产生的单位延时个数K，记为时钟周期模值计数，其中K为大于0的整数，那么得出以下公式(2)

在一些实施例中，将参考时钟信号的第i个上升沿输入到延时链中，锁存单元在参考时钟信号的第j个上升沿到来时锁存延时单元的状态值，其中，i和j均为大于等于1的自然数。通过译码模块13获取一个时钟周期内参考时钟信号第i个上升沿对应产生的单位延时个数K’，其中K’为大于0的整数，那么得出公式(2’)如下：

获取到Tinv之后，再分别获取△Ta和△Tb的值。

在测量△Ta时信号选择输出模块11输出第一信号至延时链121的输入端，锁存模块122接入参考时钟信号，如图11所示，在第一信号上升沿之后的第一个参考时钟信号上升沿(锁存上升沿)到来时锁存延时链121状态值，通过译码模块13得到第一信号上升沿到第一信号上升沿之后的第一个参考时钟信号上升沿之间的单位延时个数A。

根据公式(2)可以得到下面的公式(3)：

同样的，在测量△Tb时，信号选择输出模块11输出第二信号至延时链121的输入端，锁存模块122接入参考时钟信号，并在第二信号上升沿之后的第一个参考时钟信号上升沿时锁存延时链121状态值，通过译码模块13得到第二信号上升沿到第二信号上升沿之后的第一个参考时钟信号上升沿之间的单位延时个数B。

根据公式(2)可以得到下面的公式(4)：

此外，在测量△Tb时，可以得到第一信号和第二信号之间的间隔时间包括的整数个时钟周期计数N，根据公式(1)(2)(3)(4)可得下面的公式(5)：

参考时钟信号可以是一正脉冲信号或者是一负脉冲信号，需要指出的是，由于制备工艺或环境因素的影响每个延时单元不可避免会有响应误差，为了减小单独使用同一正脉冲信号或负脉冲信号时响应误差累积的影响，如图7所示的本申请的另一个实施例通过正负脉冲发生单元114将参考时钟信号调整为正单周期时钟信号或负单周期时钟信号，并循环若干次使用所述正单周期时钟信号和负正周期时钟信号对时间测量电路的分辨率进行校准。具体的校准过程如下：

S101：输入正单周期时钟信号，获取正单周期时钟信号的第一时钟周期模值计数Np；

S102：输入负单周期时钟信号，获取负单周期时钟信号的第一时钟周期模值计数Nn；

S103：输入正单周期时钟信号，获取正单周期时钟信号的第二时钟周期模值计数Np’；

S104：输入负单周期时钟信号，获取负单周期时钟信号的第二时钟周期模值计数Nn’；

S105：当Np＝Np’且Nn＝Nn’时，校准过程结束；

当Np≠Np’或Nn≠Nn’时，再次执行步骤S101–步骤S104，直到Np＝Np’且Nn＝Nn’时，校准过程结束；

当Np≠Np’或Nn≠Nn’时，且执行步骤S101-步骤S104的次数等于预设次数时，同样结束校准过程，以免进入校准过程耗时太长。优选地，预设次数值为8。

校准过程结束后，计算K的值，即：

因为Tinv＝Tclk/K，可以得到校准后的测量精度Tinv为：

在测量△Ta时信号选择输出模块11输出第一信号至延时链121的输入端，锁存模块122接入参考时钟信号，并在第一信号上升沿之后的第一个参考时钟上升沿到来时锁存延时链121状态值，通过译码模块13得到第一信号上升沿到第一信号上升沿之后的第一个参考时钟上升沿之间的单位延时个数A，如图10所示。

根据公式(7)可以得到公式(8)：

同样的，在测量△Tb时，信号选择输出模块11输出第二信号至延时链121的输入端，锁存模块122接入参考时钟信号，并在第二信号上升沿之后的第一个参考时钟上升沿到来时锁存延时链121状态值，通过译码模块13得到第二信号上升沿到第二信号上升沿之后的第一个参考时钟上升沿之间的单位延时个数B。

根据公式(2)可以得到，

此外，在测量△Tb时，可以得到第一信号和第二信号之间的间隔时间包括的整数个时钟周期计数N，根据公式(1)(6)(8)(9)可得：

综上所述，本申请实施例的时间测量电路通过信号选择输出模块11和时间测量模块12实现了时间测量精度的校准和测量信号的时间测量。本申请的实施例一方面通过在延时链121中输入参考时钟信号获取时间测量精度，进一步的，通过正负脉冲发生单元114生成正单周期时钟信号和负单周期时钟信号对时间测量精度进行校准，获取更为准确的时间测量结果。时间测量精度的校准可以在在测量第一信号和第二信号的时间测量之前的空闲状态下进行，即可以提高测量的精度又可以减少不同环境温度等带来的误差影响。另一方面，时间测量电路10通过选取适量的延时单元(I

实施例三

本申请实施例还提供了一种时间测量芯片30。如图12所示，该时间测量芯片30包括上文描述的时间测量电路10以及一模数转换电路31，该模数转换电路用于将芯片接收到的模拟信号转换为数字信号，并输入到时间测量电路10中进行时间测量。关于时间测量电路10的详细描述请参见前面实施例1和2，在此不再赘述。

实施例四

本申请实施例还提供一种时间测量模组40。如图13所示，该时间测量模组40包括发射器41、接收器42以及如图13所示的时间测量芯片30。发射器41用于发射检测信号，所述检测信号例如为红外或近红外光信号，或者其它可见光信号。接收器42接收所述检测信号对应的反射信号，反射信号为模拟信号。时间测量芯片30与发射器41和接收器42相连，从发射器41和接收器42接收模拟信号，然后时间测量芯片30将其转换为数字信号，由时间测量电路10测量出发射器41发射的检测信号与接收器42接收到检测信号对应的反射信号的时间间隔，然后根据时间间隔获得目标物的距离。关于时间测量芯片30的描述具体请参见实施例三，在此不再赘述。

实施例五

本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括如实施例四所描述的时间测量模组40。该电子设备可以是智能手机、无人机、可移动机器人、智能电视机、AR/VR、3D深度测量设备等，通过本申请的飞行时间测量模组40，可以实现对目标物体的深度信息的精准测量。

综上所述，本申请实施例提供的时间测量电路、时间测量方法、时间测量芯片、时间测量模组和电子设备，在时钟频率提升空间有限的现有技术条件下，可以实现皮秒以下的高精度时间测量，在目前普遍的工艺下，可实现30ps左右的测量精度。

需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。