利用高速ADC設(shè)計(jì)用于汽車的LIDAR系統(tǒng)

    LIDAR(激光探測(cè)與測(cè)距)通過雷達(dá)用于大范圍定位、測(cè)距和目標(biāo)輪廓描繪應(yīng)用領(lǐng)域，這種系統(tǒng)由能在要求的范圍內(nèi)發(fā)射脈沖或連續(xù)激光的激光器和用于反射信號(hào)分析的高速、低噪聲接收器組成。發(fā)射的激光作用在目標(biāo)物體上，并被目標(biāo)物體所改變。根據(jù)目標(biāo)的反射特性，一部分光被反射/散射回接收器。發(fā)射信號(hào)特性的改變能用于確定目標(biāo)的特性，在最通常的應(yīng)用中，傳播時(shí)間(TOF)被用于確定距離。

    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
互阻抗放大器
差分放大器
LIDAR模塊
半導(dǎo)體激光二極管

    無論是什么應(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?？斓腁DC，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)和大氣能見度、目標(biāo)物體的反射特性以及檢光器的靈敏度。能見度和反射系數(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為大氣能見度，To為光學(xué)系統(tǒng)的能見度，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，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。只有非常高的過采樣率才能確定脈沖形狀，過采樣對(duì)于數(shù)字概念來說，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。
 
    為簡(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。
同步時(shí)鐘邊沿

    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 Kø(內(nèi)部偏置電阻)×4.7nF(外部交流耦合電容) = 235 μs。因此，不必考慮時(shí)鐘停止50ns以內(nèi)將對(duì)交流耦合電容起到很強(qiáng)的去偏置作用。

    此外，也可在時(shí)鐘接收器中使用占空比穩(wěn)定器(缺省配置)，其校正時(shí)間常數(shù)很短(100ns～500ns)，并且限制反轉(zhuǎn)。同樣因?yàn)檫@個(gè)原因，一旦時(shí)鐘運(yùn)行超過3ms就可以在耦合電容上建立正確的電壓，時(shí)鐘停止的時(shí)間不能超過50ns。在時(shí)鐘停止的時(shí)間內(nèi)，可以對(duì)DCLK_Res異步復(fù)位。 

結(jié)語
    ADC08Dxxx系列ADC器件結(jié)合了低功耗和卓越的動(dòng)態(tài)特性，在保持7.0有效位數(shù)(ENOB)的條件下，能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高達(dá)3GSPS采樣，為高精度LIDAR系統(tǒng)提供了很好的解決方案。以ADC08D1000為例，在1GSPS采樣速率下實(shí)現(xiàn)7.5ENOB，其輸入帶寬為1.7GHz，在很多應(yīng)用中可以直接實(shí)現(xiàn)RF變換，不需要高成本且復(fù)雜的下變頻電路模塊。多ADC同步等集成的功能大大簡(jiǎn)化了時(shí)間交替處理的板級(jí)實(shí)現(xiàn)過程。在雙沿采樣(DES)模式下，通過交替使用兩個(gè)1.5GSPS的ADC，可以實(shí)現(xiàn)6GSPS的采樣速率，這樣能提供+/- 2.5 cm/m的分辨率。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師還可以采用WaveVision 4.0 ADC評(píng)估板進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，該評(píng)估板提供了連接PC的USB接口和支持軟件。利用WaveVision 4.0評(píng)估板可通過PC捕捉來自ADC的各種波形數(shù)據(jù)，并以圖形形式顯示出來，方便進(jìn)行波形檢查，也可用有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算，以便衡量ADC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能，顯示信噪比、總諧波失真和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)以及快速傅立葉變換得到的光譜圖。這些對(duì)于需要進(jìn)行評(píng)估及調(diào)試的設(shè)計(jì)師來說非常重要，采用這些軟硬件工具，設(shè)計(jì)師甚至可以分析電路板噪聲的振幅及頻率。