基于TDC7200的LIDAR脉冲飞行时间系统参考设计

现实中很多物体应用是无法通过物理接触来测量目标物体的距离的，例如物流中心传送带上的物体，移动机器人手臂周围的安全距离等。这里的一些可能非接触式安全测量技术选项包括：涡电流、超声波和光线。其中，激光探测和测距(Light distance and ranging，LIDAR)又称激光雷达，通过从物体发出及返回的光线数据测量目标物体的距离。要构建一个LIDAR系统，可采用高速模数转换器(ADC)，或者时间数字转换器(TDC)。

方案特点

本设计基于TDC及相关前端，是一个面向工厂自动化的光学接近传感器、光学液位传感器和无极人的LIDAR系统时间测量后端方案。系统按最高级别测量传感器于第一个障碍物之间的距离，依据是TDC测得的脉冲激光的往返时间，TDC的计时分辨率为55ps。系统采用相移方法处理ToF扩散，光学系统包含了激光二极管、LED、光电二极管，通过专用算法来增加测量距离。

系统对距离感测关键是TDC，以TDC7200为例，4.6ms ToF对应于1379km距离，LIDAR的设计距离不受TDC测量范围的影响。系统中，TDC7200相当于一个秒表，测量START脉冲到第五个STOP脉冲之间的持续时间，这种测量START脉冲与多达5个STOP脉冲之间的时间间隔，这一功能使得用户能够灵活选择回声性能最佳的STOP脉冲。

TDC7200具有内部自校准时间基准，对事件和温度漂移进行了补偿，非常适合高精度测量。如果采用自主多周期平均模式(Autonomous Multi-Cycle Averaging Mode)，TDC7200可优化实现低功耗，用于电池供电的流量表。这种模式下，主机可休眠以节约功耗，在TDC测量序列完成后中断并清醒。

本方案采用BoosterPack外形因子，含有两个TDC7200器件，虽然具有12ns消隐时间，这对小物体测量来说已经是太大了。通过对两个TDC进行差分模式优化配置，本方案实际上没有消隐时间。主要性能如下：

- LIDAR脉冲飞行时间(ToF)测量;

- 距离分辨率; <1cm

- TDC分辨率达1.65cm，白噪声1.05cm RMS

- TX能量：70W峰值(40ns以上)

- ToF测量：脉冲式ToF

- ToF分辨率：55ps

- ToF重复度：35ps

- TX功率：peak 70W

- TX脉冲宽度：40ns

- TX脉冲上升时间：10ns

- 最大距离： >100m

- 采样率：>50kHz

- SNR：88dB

芯齐齐BOM分析

本设计采用10个TI芯片。其中，TDC7200是一款采用14引脚TSSOP封装的时间-数字转换器(TDC)，工作温度范围-40 to 85°C，适用于水表、燃气表和热量计等超声波感测装置，允许用户灵活选择回声性能最佳的STOP脉冲。该器件内置自校准时基，可对时间和温度偏差进行补偿，分辨率55ps，标准偏差35ps，测量范围12-500ns(模式1)、250ns至8ms(模式2)，低功耗0.5μA(2SPS)，最多支持5个STOP信号，可用于水表、燃气表和热量计等。

OPA857是一款采用3×3mm VQFN封装宽带、快速过驱动恢复、快速稳定、超低噪声跨阻AO4807L放大器，适用于光电二极管监控应用。凭借可选择的反馈电阻，极快的过载恢复时间和内部输入保护，OPA857可保护信号链的其余部分免受过驱动，同时最大限度地缩短恢复时间。OPA857工作电压2.7V至3.6V，工作温度范围–40°C至+85°C，应用于光电二极管监控、高速I/V转换、光放大器、CAT扫描仪前端等。

TLV3502是4.5ns轨到轨推挽输出比较器，采用SOIC8封装。TLV3502电源电压2.7~5.5V,，静态电流3.2mA，输入偏置电流2pA，输出类型CMOS、Push-Pull、Rail-to-Rail、TTL，PSRR(典型值)70dB和100dB，传播延迟时间4.5ns，工作温度-40~+125℃。

TPL0202是具有SPI和非易失性存储器的256抽头双通道数字电位器，端对端电阻值为10kΩ，上电时间小于<100µs，电压分配±1 LSB INL、±0.5 LSB DNL，工作电压2.7-5.5V，工作温度范围–40°C to +105°C。

SPLLL90-3红外脉冲激光管来自OSRAM，采用Nanostack芯片技术，激光孔径200×10微米，实现70W~75W的典型光输出，光峰值功率高达70瓦，激光波长905纳米。SPLLL90-3工作温度范围-40℃~ +100℃，适合于从1至100ns的短激光脉冲，例如激光测距仪、智能汽车、交通监控、激光距离传感器等。

本设计为精密测距系统，除了上拉的R3可用5% 精度外，其余电阻器均采用1%精密电阻器。在PCB布线时应避免长走线。由于本系统发出高度集中的非有形红外光，这是危害人眼睛的光，这些产品安全预防措施应以《IEC 60825-1 激光产品的安全》为准。

审核编辑：汤梓红