TDC单元、TDC阵列以及测距系统的制作方法

tdc单元、tdc阵列以及测距系统
技术领域
1.本技术涉及电子电路技术领域，具体涉及一种tdc单元、tdc阵列以及测距系统。


背景技术：

2.直接飞行时间(direct time-of-flight，dtof)系统可以通过发出短脉冲光，并测量发射的短脉冲光返回所需的时间来检测与物体之间的距离。目前，dtof系统的核心组件主要有激光器(laser)、单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，spad)以及时间数字转换器(time-to-digital converter，tdc)，激光器被触发信号触发发射一束激光信号，同时触发信号控制tdc阵列被打开，激光信号被物体反射回来后，被spad传感器接收，spad传感器将该激光信号转换为电信号，该电信号触发tdc阵列中对应的tdc单元记录触发信号与电信号之间的时间差即时间戳数据，进而基于该时间差可以得到与物体之间的距离。
3.现有技术中，tdc单元通常与spad传感器集成在一起，形成集成电路裸片，该集成电路裸片经过封装，最后会搭载在印制电路板(printed circuit board，pcb)上，以通过印制电路板与其他电子元器件电连接。因此，供电电源的电源线需依次经印制电路板和封装，才能到达tdc单元，为其供电。
4.由于电源线需经过印制电路板和封装后才能连接到tdc单元，走线较长，因此，电源线上存在较大的寄生电感，而在tdc单元开启或关断时，寄生电感会使电源线上产生较大的电压抖动，又由于tdc单元中的高速数模混合模块对电源线上的抖动非常敏感，因此，电源线上较大的电压抖动会直接影响到tdc单元对时间戳数据的测量精度，导致测量精度偏低、测量结果存在较大偏差。


技术实现要素：

5.本技术提供一种tdc单元、tdc阵列以及测距系统，旨在解决现有技术中为tdc单元供电的电源线走线较长，电源线上较大的电压抖动导致tdc单元的测量精度降低，测量结果存在较大偏差的问题。
6.第一方面，本技术提供一种tdc单元，该tdc单元包括振荡模块、计数模块、计时模块和复位模块，振荡模块分别与复位模块和计数模块电连接，计时模块分别与计数模块和复位模块电连接，振荡模块、计数模块和计时模块均被配置为常开启状态；
7.振荡模块，用于生成具有固定周期的参考时钟信号；
8.复位模块，用于监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿生成复位信号输出至计数模块，以及根据测量触发信号生成延时同步信号输出至计时模块；
9.计数模块，用于记录参考时钟信号的运行周期数得到记录结果，以及根据接收到的复位信号触发复位；
10.计时模块，用于根据延时同步信号转换工作状态，当工作状态为测量状态时，响应于记录触发信号获取计数模块的当前记录结果，以得到时间戳数据。
11.在本技术一种可能的实现方式中，复位模块包括延时寄存单元和逻辑门电路；
12.延时寄存单元，用于监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿和预设的延时时间生成延时反相信号输出至逻辑门电路；
13.逻辑门电路，用于根据测量触发信号和延时反相信号生成复位信号输出至计数模块。
14.在本技术一种可能的实现方式中，延时寄存单元还用于根据测量触发信号和延时时间生成延时同步信号输出至计时模块。
15.在本技术一种可能的实现方式中，延时寄存单元包括信号输入端、时钟控制端、第一输出端和第二输出端；
16.信号输入端，用于接收测量触发信号；
17.时钟控制端与振荡模块电连接，用于接收参考时钟信号；
18.第一输出端与计时模块电连接，用于输出延时同步信号至计时模块；
19.第二输出端与逻辑门电路电连接，用于输出延时反相信号至逻辑门电路。
20.在本技术一种可能的实现方式中，延时寄存单元包括至少两个级联的触发器，至少两个级联的触发器均基于参考时钟信号同步运行，其中，位于首端的第一触发器的输入端用于接收测量触发信号，相邻两触发器中前一触发器的正相输出端与后一触发器的输入端电连接，位于尾端的末位触发器的正相输出端与计时模块电连接，末位触发器的反相输出端与逻辑门电路电连接。
21.在本技术一种可能的实现方式中，逻辑门电路被配置为：
22.对测量触发信号和延时反相信号进行逻辑与运算处理，得到中间运算结果；
23.对中间运算结果进行逻辑非运算处理，得到复位信号输出至计数模块。
24.在本技术一种可能的实现方式中，计数模块被配置为：
25.响应于参考时钟信号，基于格雷码编码方法记录参考时钟信号的运行周期数，根据运行周期数得到记录结果。
26.在本技术一种可能的实现方式中，工作状态还包括非测量状态，计时模块被配置为：
27.根据延时同步信号的上升沿，由非测量状态转换为测量状态，当延时同步信号为高电平时，处于测量状态；
28.根据延时同步信号的下降沿，由测量状态转换为非测量状态，当延时同步信号为低电平时，处于非测量状态。
29.第二方面，本技术还提供一种tdc阵列，该tdc阵列包括多个第一方面的tdc单元。
30.第三方面，本技术还提供一种测距系统，该测距系统包括第一方面的tdc单元或第二方面的tdc阵列。
31.在本技术一种可能的实现方式中，测距系统还包括数控模块、延时模块、信号接收单元和信号发射单元，数控模块分别与信号发射单元、延时模块、复位模块和计时模块电连接，信号接收单元与计时模块电连接；
32.延时模块，被配置为响应于数控模块的控制信号，生成驱动信号输出至信号发射单元，以及生成测量触发信号输出至复位模块；
33.信号发射单元，被配置为响应于驱动信号发射测距信号；
34.信号接收单元，用于接收经物体反射后的测距信号，并根据接收的测距信号生成记录触发信号输出至计时模块；
35.数控模块，用于获取计时模块的时间戳数据，并根据时间戳数据计算得到距离测量结果。
36.从以上内容可得出，本技术具有以下的有益效果：
37.1、本技术中，tdc单元的振荡模块、计数模块和计时模块均为常开启状态，复位模块和计数模块均基于振荡模块生成的参考时钟信号运行，复位模块监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿生成复位信号输出至计数模块，使得计数模块在开始测量时触发复位，从而计数模块可以准确记录在当前测量过程中参考时钟信号的运行周期数得到记录结果，以使得计时模块在测量状态时，响应于记录触发信号获取计数模块的当前记录结果，进而得到时间戳数据，相较于现有技术中在测量时开启tdc单元，测量结束关断tdc单元不同，本技术的tdc单元为常开启状态，可以减小tdc单元在开启或关断时，由于电源线上的寄生电感而引起的电压抖动，提高了tdc单元的测量精度，并且，由于延时同步信号和复位信号均是由复位模块生成，计时模块根据延时同步信号转换工作状态，因此，计数模块和计时模块同步，提高了测量结果即时间戳数据的准确性和可靠性。
38.2、本技术中，计数模块基于格雷码编码方法记录参考时钟信号的运行周期数，可以确保相邻两参考时钟周期，计数模块的输出位中仅有一位存在电平翻转，即相邻两记录结果逐位进行对比，仅有一位上存储的数据发生变化，相较于现有技术中采用常规二进制编码来说，本技术的计数模块采用格雷码编码方法可以降低并稳定计数模块输出端的功耗，从而降低了电源线上的电压抖动，进一步提高了tdc单元的测量精度。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术中的技术方案，下面将对本技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
40.图1是现有技术中tdc单元在测量过程中的相关电参数的波形图；
41.图2是本技术实施例中提供的tdc单元的一个结构示意图；
42.图3是本技术实施例中提供的tdc单元在测量过程中的相关电参数的波形图；
43.图4是本技术实施例中提供的复位模块的一个电路原理示意图；
44.图5是本技术实施例中提供的复位信号的一个时序示意图；
45.图6是本技术实施例中提供的复位模块的另一个电路原理示意图；
46.图7是本技术实施例中提供的复位信号的另一个时序示意图；
47.图8是本技术实施例中提供的计数模块的一个电路原理示意图；
48.图9是本技术实施例中提供的tdc阵列的一个结构示意图；
49.图10是本技术实施例中提供的测距系统的一个结构示意图；
50.图11是本技术实施例中提供的测距系统的另一个结构示意图；
51.图12是本技术实施例中提供的测距系统的一个场景示意图。
52.其中：100-振荡模块，200-计数模块，201-二进制计数器，202-格雷码转换单元，300-计时模块，400-复位模块，401-延时寄存单元，402-逻辑门电路，403-第一d触发器，
404-第二d触发器，500-数控模块，600-延时模块，700-信号接收单元，800-信号发射单元，900-spad阵列，1000-tdc阵列，1100-锁相环。
具体实施方式
53.下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
54.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.在本技术中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本技术，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本技术。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本技术的描述变得晦涩。因此，本技术并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理和特征的最广范围相一致。
56.在对本技术的一种tdc单元、tdc阵列以及测距系统进行介绍之前，首先对现有技术的tdc单元进行说明。
57.现有技术中，伴随着激光器发射出用于测距的激光脉冲，以及spad传感器接收到经物体反射回来的激光脉冲，微控制单元(micro controller unit，mcu)可以通过窗口信号控制tdc单元的开启或关闭，请参阅图1，图1是现有技术中tdc单元在测量过程中的相关电参数的波形图，如图1所示，当窗口信号为低电平时，tdc单元处于关闭状态，当窗口信号由低电平翻转为高电平时，tdc单元开启，tdc单元的计数器开始记录振荡器输出的参考时钟的周期数，直到窗口信号由高电平翻转为低电平，测量结束，tdc单元由开启状态转换为关闭状态。
58.图1中，本地电压为供给tdc单元的工作电压，由于tdc单元通常与spad传感器集成在一起，形成集成电路裸片，该集成电路裸片经过封装，最后搭载在印制电路板(printed circuit board，pcb)上，因此，供电电源的电源线需依次经印制电路板和封装，才能到达tdc单元，如此，电源线的走线便会较长，而较长的电源线上会存在较大的寄生电感，在tdc单元开启或关闭时，由于电流迅速增大或消失，寄生电感便会使电源线上产生较大的电压抖动，如图1所示，本地电压在tdc单元开启或关闭的瞬间，均存在抖动较大。另外，较长的电源线上同时还会存在较大的寄生电阻，而在tdc单元开启或关闭时，由于电流或功耗的迅速
变化，还会导致电源线上寄生电阻产生的电压降不一致，如此，在tdc单元开启或关闭时，电源还需要额外的一些时间才能稳定。
59.而tdc单元中的振荡器和计数器均为高速数模混合模块，对电源线上的抖动非常敏感，因此，电源线上较大的电压抖动会直接影响tdc单元对时间戳数据的测量精度。
60.具体的，tdc单元测量的时间精度是由参考时钟的相位噪声和抖动决定的，电源线上的电压抖动会直接增大振荡器产生的参考时钟的相位噪声和抖动，从而便会使tdc单元测量的时间精度降低，即使tdc单元对时间戳数据的测量精度降低。
61.基于此，本技术提供一种tdc单元、tdc阵列以及测距系统，以下分别对本技术的tdc单元、tdc阵列以及测距系统进行详细说明。
62.请参阅图2，图2是本技术实施例中提供的tdc单元的一个结构示意图，如图2所示，本技术实施例的tdc单元可以包括振荡模块100、计数模块200、计时模块300和复位模块400，其中，振荡模块100分别与复位模块400和计数模块200电连接，计时模块300分别与计数模块200和复位模块400电连接，振荡模块100、计数模块200和计时模块300均被配置为常开启状态。
63.振荡模块100可以用于生成具有固定周期的参考时钟信号；复位模块400可以用于监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿生成复位信号输出至计数模块200，以及根据测量触发信号生成延时同步信号输出至计时模块300；计数模块200可以用于记录参考时钟信号的运行周期数得到记录结果，以及根据接收到的复位信号触发复位；计时模块300可以用于根据延时同步信号转换工作状态，当工作状态为测量状态时，响应于记录触发信号获取计数模块的当前记录结果，以得到时间戳数据。
64.本技术实施例中，振荡模块100可以生成具有固定周期的参考时钟信号，即该参考时钟信号具有固定频率，可以理解，每个周期的参考时钟信号的输出时间是固定的，因此，一个周期的参考时钟信号的输出时间可以作为统计的单位时间。
65.由于振荡模块100分别与复位模块400和计数模块200电连接，因此，振荡模块100生成的参考时钟信号可以分别输出至复位模块400和计数模块200。可以理解，在电子电路领域中，时钟信号可以用于保证系统各电子组件同步运作，因此，本技术实施例中，复位模块400和计数模块200可以基于参考时钟信号同步工作。
66.并且，本技术实施例中，振荡模块100被配置为常开启状态，因此，即使是在未测量时，振荡模块100依然保持振荡，生成参考时钟信号。
67.本技术实施例中，参考时钟信号是具有固定周期的一种电信号，换言之，该参考时钟信号是一种不断重复的电子信号，因此，其输出波形具体可以是正弦波、方波、锯齿波等，需要说明的是，图2中以方波作为参考时钟信号的一种示例，在其他应用场景中，参考时钟信号的输出波形还可以是其他形状的波形，具体此处不做限定。
68.本技术实施例的振荡模块100可以是现有的任一种振荡器，例如阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等，振荡器的选型可以根据实际应用场景进行选择，具体此处不做限定。
69.本技术实施例中，计数模块200被配置为常开启状态，并且计数模10块200可以记录参考时钟信号的运行周期数，即计数模块200可以不断对一个周期的参考时钟信号的数量进行统计，例如，计数模块200在一段时间内，接收到的参考时钟信号为重复的100个正弦
波信号，则此时计数模块200记录的运行周期数为100。
70.由于参考时钟信号具有固定周期，计数模块200通过对其运行周期数进行统计，便可以得到振荡模块100产生该运行周期数下的信号的时间，例如，振荡模块100的工作频率为50mhz，根据频率f与周期t之间的转换公式t＝1/f，可以得到参考时钟信号的周期为2*10-8
秒，即振荡模块100产生一个周期的参考时钟信号的时间为2*10-8
秒。若计数模块300统计的运行周期数为108，则根据产生一个周期的参考时钟信号的时间2*10-8
秒和运行周期数108的乘积，便可以得到总时间为2秒，该总时间则可以是记录结果，若用二进制编码方法对记录结果进行编码，则记录结果可以是0010。
71.由于计数模块200为常开启状态，即使在非测量时间段内，计数模块200仍然会对振荡模块100产生的参考时钟信号的运行周期数进行统计，因此，本技术实施例中，通过复位模块400产生复位信号对计数模块200进行复位。
72.具体的，复位模块400可以用于监测测量触发信号，并根据监测到的测量触发信号的上升沿生成复位信号，可以理解，测量触发信号可以是现有技术中的窗口信号，现有技术中，当开始测量时，窗口信号由低电平翻转为高电平，因此，本技术实施例中，测量触发信号可以配置有高电平和低电平，当开始测量时，测量触发信号由低电平翻转为高电平，即存在一个上升沿，此时，复位模块400可以根据该上升沿生成复位信号输出至计数模块200，以使得计数模块200根据该复位信号进行复位。
73.可以理解，复位是指使计数模块200恢复到起始状态，即若计数模块200在起始状态时，记录结果的值为0，则计数模块200根据该复位信号复位后，记录结果跳转为0，然后计数模块200再重新对参考时钟信号的运行周期数进行统计，每经过一个参考时钟信号的周期，更新记录结果的值。
74.需要说明的是，计数模块200在起始状态时，记录结果也可以是非0的其他数值，具体可以根据实际应用场景进行选择，此处不做具体限定。
75.本技术实施例中，计时模块300同样被配置为常开启状态，即计时模块300始终开启，同时，计时模块300可以根据延时同步信号转换工作状态，具体的，由于延时同步信号和复位信号均是由复位模块400根据测量触发信号生成，因此，计数模块200与计时模块300同步，即在复位模块400根据测量触发信号的上升沿生成复位信号时，延时同步信号的上升沿还未到来，而当计数模块200根据复位信号复位，重新开始计数时，延时同步信号的上升沿到来，计时模块300根据延时同步信号的上升沿触发进入测量状态。
76.当计时模块300的工作状态为测量状态时，计时模块300可以响应于记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，由于计数模块200与计时模块300同步，当计数模块200根据复位信号复位，重新开始计数时，计时模块300根据延时同步信号的上升沿触发进入测量状态，而计时模块300在记录触发信号的触发下，计时模块300获取计数模块200的当前记录结果，该当前记录结果则可以用于表征开始测量和测量结束之间的时间差，即得到时间戳数据。
77.本技术实施例中，振荡模块100、计数模块200和计时模块300均被配置为常开启状态，当测量触发信号由低电平翻转为高电平，即测量触发信号的上升沿到来时，表征开始启动测量，此时，复位模块400根据该测量触发信号的上升沿生成复位信号，计数模块200根据该复位信号触发复位，将记录结果更新为初始值(如0)，然后重新对参考时钟信号的运行周
期数进行统计，得到记录结果，在计数模块200复位完成，开始重新统计时，计时模块300根据延时同步信号的上升沿的触发，进入测量状态，然后在记录触发信号的触发下，获取计数模块200的当前记录结果，进而得到时间戳数据。
78.请参阅图3，图3是本技术实施例中提供的tdc单元在测量过程中的相关电参数的波形图，由图3可以看出，由于振荡模块100、计数模块200和计时模块300均被配置为常开启状态，即tdc单元为常开启状态，仅在测量触发信号的上升沿处，通过复位信号使计数模块200快速复位重启，使tdc单元迅速进入正常工作状态，相较于现有技术来说，大大减小了tdc单元的状态改变时，因电源线上的寄生电感而引起的供给tdc单元的本地电压的电压抖动，从而可以减小振荡模块100产生的参考时钟信号的相位噪声和抖动，改善tdc单元测量的时间精度。
79.本技术实施例中，tdc单元的振荡模块100、计数模块200和计时模块300均为常开启状态，复位模块400和计数模块200均基于振荡模块100生成的参考时钟信号运行，复位模块400监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿生成复位信号输出至计数模块200，使得计数模块200在开始测量时触发复位，从而计数模块200可以准确记录在当前测量过程中参考时钟信号的运行周期数得到记录结果，以使得计时模块300在测量状态时，响应于记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，进而得到时间戳数据，相较于现有技术中在测量时开启tdc单元，测量结束关断tdc单元不同，本技术的tdc单元为常开启状态，可以减小tdc单元在开启或关断时，由于电源线上的寄生电感而引起的电压抖动，提高了tdc单元的测量精度，并且，由于延时同步信号和复位信号均是由复位模块400生成，计时模块300根据延时同步信号转换工作状态，因此，计数模块200和计时模块300同步，提高了测量结果即时间戳数据的准确性和可靠性。
80.请参阅图4，图4是本技术实施例中提供的复位模块的一个电路原理示意图，在本技术一些实施例中，复位模块400可以包括延时寄存单元401和逻辑门电路402；其中，延时寄存单元401可以用于监测测量触发信号，并根据测量触发信号的上升沿和预设的延时时间生成延时反相信号输出至逻辑门电路402；逻辑门电路402可以用于根据测量触发信号和延时反相信号生成复位信号输出至计数模块200。
81.本技术实施例中，可以预先为延时寄存单元401配置相应的延时时间，延时寄存单元401接收到测量触发信号后，可以对该测量触发信号的上升沿进行监测，当监测到上升沿时，延时寄存单元401可以根据预设的延时时间，延时生成延时反相信号并输出至逻辑门电路。
82.可以理解的，延时反相信号是与测量触发信号反相且具有一定延时的电信号，具体的，当测量触发信号为低电平时，延时反相信号则为高电平，当测量触发信号由低电平翻转为高电平时，由于延时时间的存在，延时反相信号依旧保持高电平，即在延时时间的时间段内，测量触发信号和延时反相信号均为高电平，经过延时时间后，延时反相信号再由高电平翻转为低电平。
83.本技术实施例中，计数模块200可以被配置为高电平复位或低电平复位，相对应的，若为高电平复位，则当逻辑门电路402输出的复位信号为高电平时，计数模块200的记录结果更新为初始值，若为低电平复位，则当逻辑门电路402输出的复位信号为低电平时，计数模块200的记录结果更新为初始值。
84.请参阅图5，图5是本技术实施例中提供的复位信号的一个时序示意图，本技术实施例中，复位信号是由逻辑门电路402根据测量触发信号和延时反相信号生成的，根据测量触发信号和延时反相信号的时序关系，本技术实施例中，测量触发信号由低电平翻转为高电平后，在延时时间的时间段内，测量触发信号和延时反相信号均为高电平，当计数模块200被配置为高电平复位时，则逻辑门电路402可以是逻辑与电路，当测量触发信号和延时反相信号同时为高电平时，逻辑门电路402输出的复位信号则为高电平，此时，该高电平的复位信号输入到计数模块200的复位端rst则会触发计数模块200复位。
85.请继续参阅图4和图5，在本技术一些实施例中，延时寄存单元401还可以用于根据测量触发信号和延时时间生成延时同步信号输出至计时模块300。
86.由于复位信号是根据测量触发信号和延时反相信号得到的，为了确保在测量时计时模块300和计数模块200两者同步，同样可以根据延时时间对测量触发信号进行延时，从而得到延时同步信号，根据图5中延时反相信号和延时同步信号的时序关系可以知道，延时反相信号与延时同步信号反相且同步。
87.并且，由于延时同步信号是测量触发信号的延时信号，因此，当测量触发信号由低电平翻转为高电平时，延时同步信号仍旧维持低电平，经过延时时间后，再由低电平翻转为高电平，此时，该高电平的延时同步信号可以触发计时模块300进入测量状态。
88.而当测量结束时，测量触发信号由高电平翻转为低电平，此时，由于延时时间的作用，延时同步信号仍旧维持高电平，此时，计时模块300依旧处于测量状态，经过延时时间后，延时同步信号由高电平翻转为低电平，此时，该低电平的延时同步信号触发计时模块300由测量状态转换为非测量状态，以结束测量。
89.因此，本技术实施例中，计时模块300可以根据延时同步信号的上升沿，由非测量状态转换为测量状态，当延时同步信号为高电平时，计时模块300处于测量状态；
90.相应的，计时模块300可以根据延时同步信号的下降沿，由测量状态转换为非测量状态，当延时同步信号为低电平时，计时模块300处于非测量状态。
91.可以理解的，在一些情况下，计时模块300可能会接收到无效或有误的记录触发信号，而当计时模块300处于非测量状态时，即使计时模块300接收到无效或有误的记录触发信号，也不会响应于该记录触发信号获取计数模块200的记录结果，进而可以节约能耗，确保时间戳数据的准确性。
92.如图4所示，在一种具体实现中，延时寄存单元401可以包括信号输入端、时钟控制端、第一输出端和第二输出端；其中，信号输入端用于接收测量触发信号；时钟控制端与振荡模块100电连接，用于接收参考时钟信号；第一输出端与计时模块电连接，用于输出延时同步信号至计时模块300；第二输出端与逻辑门电路402电连接，用于输出延时反相信号至逻辑门电路402。
93.在本技术一些实施例中，延时寄存单元401可以包括至少两个级联的触发器，该至少两个级联的触发器均基于参考时钟信号同步运行，其中，位于首端的第一触发器的输入端用于接收测量触发信号，相邻两触发器中前一触发器的正相输出端与后一触发器的输入端电连接，位于尾端的末位触发器的正相输出端与计时模块300电连接，末位触发器的反相输出端与逻辑门电路402电连接。
94.可以理解，基于相同的参考时钟信号同步运行的多个触发器可以构成移位寄存
器，数据可以以并行或串行的方式输入到移位寄存器中，然后每个时间脉冲依次向左或向右移动一个比特，在输出端进行输出。
95.在数字电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器，而寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的，一个触发器可以存储一位二进制代码，存放n位二进制代码的寄存器，可以由n个触发器来构成。
96.移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，或者串行输入、并行输出。
97.本技术实施例中，参考时钟信号即为时间脉冲或移位脉冲，至少两个级联的触发器构成至少两位的移位寄存器，若示例性的设定触发器的触发方式为边沿触发(前沿触发)，则测量触发信号由位于首端的第一触发器的输入端输入，在参考时钟信号的每一个上升沿的触发下，表征测量触发信号当前状态的二进制代码依次向相邻的后一触发器移动，最终在末位触发器的反相输出端形成延时反相信号输出至逻辑门电路402，同时，在末位触发器的正相输出端形成延时同步信号输出至计时模块300。
98.示例性的，请参阅图6，图6是本技术实施例中提供的复位模块的另一个电路原理示意图，延时寄存单元401包括级联的第一d触发器403和第二d触发器404，振荡模块100的输出端分别与第一d触发器403和第二d触发器404的控制端电连接，以通过参考时钟信号使第一d触发器403和第二d触发器404同步，第一d触发器403的输入端d接收测量触发信号，第一d触发器403的输出端q与第二d触发器404的输入端d电连接，第二d触发器404的输出端q与计时模块300电连接，用于将延时同步信号输出至计时模块300，第二d触发器404的输出端q与逻辑门电路402电连接。
99.如图6所示，本实施例中，逻辑门电路402为与非门电路，该与非门的第一输入端接收测量触发信号，第二输入端接收延时反相信号，计数模块200被配置为低电平复位，该逻辑门电路402可以被配置为：对测量触发信号和延时反相信号进行逻辑与运算处理，得到中间运算结果；然后对该中间运算结果进行逻辑非运算处理，得到复位信号输出至计数模块200的复位端rst，使得计数模块200复位重启，本技术实施例中，计数模块200的输出端为8位，计数模块200复位重启，则是计数模块200的输出端上8位输出位均恢复为初始值，计数模块200可以采用二级制编码方法、十进制编码方法等现有的任一种编码方法对记录结果进行编码，最终由计时模块300根据记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，得到时间戳数据。
100.请参阅图7，图7是本技术实施例中提供的复位信号的另一个时序示意图，本实施例中，第一d触发器403和第二d触发器404构成一个2位的移位寄存器，请结合图6和图7，开始测量之前，测量触发信号为低电平，此时，第一d触发器403和第二d触发器404中存储的数据均为0，当开始测量时，测量触发信号由低电平翻转为高电平时，此时，在参考时钟信号的上升沿到来时，第一d触发器403中存储的数据由0跳转为1，而第二d触发器404中存储的是第一d触发器403在上一稳态时存储的数据，即此时第二d触发器404中存储的是第一d触发器403中原来的数据0，因此，第二d触发器404的输出端q输出的延时同步信号为低电平，第二d触发器404的输出端q输出的延时反相信号为高电平，高电平的延时反相信号和高电平的测量触发信号经与非门电路处理后，输出低电平的复位信号触发计数模块200复位。
101.测量过程中，测量触发信号持续高电平，当下一个参考时钟信号的上升沿到来时，第一d触发器403存储的数据维持为1，而第二d触发器404中存储的数据由0跳转为第一d触发器403在上一稳态时的数据1，则此时，第二d触发器404的输出端q输出的延时同步信号为高电平，第二d触发器404的输出端q输出的延时反相信号为低电平，低电平的延时反相信号和高电平的测量触发信号经与非门电路处理后，输出高电平的复位信号，计数模块200复位结束，开始重新记录参考时钟信号的运行周期数，同时，计时模块200根据高电平的延时同步信号进入测量状态。
102.概括来说，因为从参考时钟信号的上升沿加到两个d触发器上开始，到输出端达到一个稳定的新状态需要一定的时间，因此，当参考时钟信号同时加到两触发器上时，第二d触发器404接收的都是第一d触发器403中原来的数据，即移位寄存器中的数据根据参考时钟信号的上升沿依次右移一位，本实施例中，延时时间即为参考时钟信号相邻两上升沿之间的时间差。
103.可以理解，当测量结束时，测量触发信号由高电平跳转为低电平，延时同步信号会在测量触发信号电平跳转后的参考时钟信号的上升沿处由高电平翻转为低电平，以通过低电平的延时同步信号触发计时模块300结束测量。
104.此时，虽然测量结束，但是不关闭tdc单元，振荡模块100继续维持振荡，计数模块200继续对参考时钟信号的运行周期数进行统计，如此，便可以减小tdc开启或关闭时的电压抖动，维持tdc单元的本地电压稳定。
105.需要说明的是，在其他的应用场景中，还可以级联比本实施例更多的d触发器，d触发器的数量与延时时间正相关，在实际应用中，可以根据具体的应用场景对d触发器的数量进行选择，具体此处不做限定。
106.另外，传统的tdc单元的计数器一般采用二进制计数器，即采用常规的二进制编码方法对记录结果进行编码，而一个tdc单元的多位输出可能会连接一个或多个计时器，因此，计数器的输出端可能会存在较大的负载电容，当采用二进制编码方法时，若计数器输出端上多个输出位的电平同时发生翻转，则计数器的输出级会产生很大的功耗，从而使tdc单元的实时功耗增大，并且功耗变化同样会造成电源上的电压抖动，该电压抖动与编码强相关。
107.如图1所示，若计数器的记录结果由01111111增进一位跳转为10000000，则计数器输出端上八个输出位的电平同时翻转，也就是说此时会有八个输出位上的负载电容要同时充放电，可以理解，此处八个输出位上的负载电容可以是来自电路布线的寄生电容和下一级电路(如计时模块300)输入端的输入电容，因此，实时功耗较大，而相对来说，若记录结果由01111110增进一位跳转为01111111，由于仅有一个输出位的电平发生翻转，则只需给一个输出位上的负载电容充放电，因此，计数器消耗的功率会明显更小。可见，计数器的瞬态功耗会随着计数器的记录结果的变化而变化，而瞬态功耗的变化会通过寄生电感转化为电压抖动，因此，电压抖动会跟随计数器输出端的编码的跳动而变化，这无疑会加剧电源域上的电压抖动，进一步降低tdc单元的测量精度。
108.有鉴于此，在本技术一些实施例中，计数模块200可以被配置为：
109.响应于参考时钟信号，基于格雷码编码方法记录参考时钟信号的运行周期数，根据运行周期数得到记录结果。
110.可以理解，在一组数的编码中，格雷码是一种任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同的编码，即对于计数模块200的输出端来说，相邻两记录结果逐位进行比较，仅有一个输出位上的电平发生翻转，如图3所示，若记录结果采用格雷码编码方法编码为10000111，则对其增进一位后，对应的编码为10000101，由于采用格雷码编码方法，对于记录结果的每一次增进，后一编码与前一编码仅有一位存在电平变化，可以确保计数模块200的功耗稳定，减小电源域上的电压抖动。
111.可以理解，本技术实施例中，计数模块200可以是能够直接生成格雷码的计数器，也可以是二进制计数器201与格雷码转换单元202的组合。
112.示例性的，请参阅图8，图8是本技术实施例中提供的计数模块的一个电路原理示意图，本实施例中，计数模块200可以包括二进制计数器201和格雷码转换单元202，电容c1用于表征计数模块200输出级的负载电容，其中，二进制计数器201首先可以将记录结果(如“7”)转换为二进制码(如“0111”)输出至格雷码转换单元202，再由格雷码转换单元202将该二进制码0111转换为对应的格雷码0100输出至计时模块300，而在下一个参考时钟信号的周期，记录结果增1，此时，记录结果为8，对应的二进制码为1000，格雷码转换单元202根据二进制码1000转换得到格雷码1100，对上一周期的格雷码0100与当前周期的格雷码1100进行逐位比较，则仅有第一个输出位有电平翻转，如此，便可以确保每一个参考时钟信号的周期下，计数模块200的输出端仅有一个输出位发生电平的变化，因此，计数模块200的瞬态功耗不随其输出端的记录结果的变化而变化，从而确保了计数模块200的功耗保持稳定，减小电源域上的电压抖动，进一步提高了tdc单元的测量精度。
113.可以理解的，本技术实施例中，格雷码转换单元202可以采用现有的任一种转换方法将二进制码转换为格雷码，示例性的，例如异或转换法、卡诺图转换法、异或乘除转换法等，在实际应用中，可以根据具体情况对格雷码转换单元202的转换方法进行选择，此处不做具体限定。
114.本技术实施例中，计数模块200基于格雷码编码方法记录参考时钟信号的运行周期数，可以确保相邻两参考时钟周期，计数模块200的输出位中仅有一位存在电平翻转，即相邻两记录结果逐位进行对比，仅有一位上存储的数据发生变化，相较于现有技术中采用常规二进制编码来说，本技术的计数模块采用格雷码编码方法可以降低并稳定计数模块输出端的功耗，从而降低了电源线上的电压抖动，进一步提高了tdc单元的测量精度。
115.另外，本技术实施例中，由于采用了格雷码，电源域上的电压抖动与计数模块200的编码变化无关，完全随机，从而不会产生与编码相关的非线性，例如，由于tdc单元测量长距离物体和短距离物体时得到的时间戳数据不同，传统的计数器会产生不同程度的电压抖动，但是，本技术实施例的计数模块200基于格雷码编码方法进行编码，无论是测量长距离物体还是短距离物体，电源域上的电压抖动相同，因此在tdc单元的量程中，具有更加优异的测量线性度。
116.现有技术中，tdc阵列可以包括多个电连接的tdc单元，例如，一个tdc阵列可能由640*480个tdc单元组成，若一个tdc单元的大小为20um*20um，则tdc阵列的大小在mm级别。
117.因此，相对于tdc单元来说，tdc阵列面积较大，电源线除经过印制电路板和封装外，在tdc阵列中走线同样较长，而tdc阵列内部，较长电源线上的寄生电阻和寄生电感会严重影响tdc阵列的电路性能，一方面，在tdc阵列的开启及关断过程中，寄生电感造成了电源
线上的电压抖动，并且，由于tdc阵列中的多个tdc单元为分布式布局，各tdc单元的位置不同，因此，各tdc单元的电源接入点的电压抖动也各不相同；另一方面，在tdc阵列的工作过程中，寄生电阻造成了电源线上的电压降，同样的，由于各tdc单元的位置不同，对于每个tdc单元来说，电源线上压降也不相同。
118.由于tdc单元的高速数模混合模块(如振荡器和计数器)对电源线上的抖动和压降均非常敏感，tdc阵列中长电源线上的寄生电阻和寄生电感会直接导致tdc阵列的测量精度和线性度下降，同时也导致了tdc阵列中各tdc单元的性能不一致。
119.因此，在上述实施例的基础之上，本技术实施例还提供了一种tdc阵列，请参阅图9，图9是本技术实施例中提供的tdc阵列的一个结构示意图，该tdc阵列可以包括多个上述任一实施例中的tdc单元，该多个tdc单元横纵排布且电连接，连接到各tdc单元的电源线上存在有寄生电感和寄生电阻，由图9可以看到，每两个tdc单元之间的电源线上均存在寄生电感(如电感l1)和寄生电阻(如电阻r1)。
120.根据上述tdc单元的任一种实施例可以知道，本技术实施例中的tdc单元的振荡模块100、计数模块200和计时模块300为常开启状态，请结合图3，tdc单元的常开可以使电源线上的电压降维持稳定，并且计数模块200响应于复位信号重启后，可以快速进入正常工作状态，避免了tdc单元因状态改变而引起的电压抖动，同理，对于本技术实施例的tdc阵列来说，各tdc单元为常开启状态，则tdc阵列为常开启状态，仅在测量触发信号的上升沿时，tdc阵列复位重启，通过改变tdc阵列的默认状态和启动方法，减小了电源线上的电压抖动，并保持了稳定的电压降，从而提高了tdc阵列的测量精度和线性度，同时也保证了tdc阵列上各tdc单元的性能均衡稳定保持一致，即tdc阵列中不同tdc单元的指标性能一致，同一tdc单元的指标性能在时间上具有稳定性。
121.在一些实施例中，tdc单元的计数模块200采用格雷码编码方法编码，能够进一步减小电源上的电压抖动。
122.本技术实施例中，由于tdc阵列的电压抖动减小，电源线上的电压抖动在tdc阵列上更均衡，使得tdc阵列上各处tdc单元所达到的测量精度和线性度具有一致性，不存在不同的tdc单元实现的测量精度和线性度不同的情况。
123.需要说明的是，本技术实施例的tdc阵列中，同一振荡模块和计数模块可以被多个tdc单元复用，以节省占用面板面积以及节约功耗，具体可以根据实际应用场景进行设定。
124.本技术实施例中的tdc阵列因设置有上述实施例的tdc单元，从而具有上述任一实施例中tdc单元具有的全部有益效果，此处不再赘述。
125.在上述实施例的基础之上，本技术实施例还提供了一种测距系统，请参阅图10，图10是本技术实施例中提供的测距系统的一个结构示意图，该测距系统可以包括上述实施例中的tdc单元或tdc阵列，以及数控模块500、延时模块600、信号接收单元700和信号发射单元800，其中，数控模块500分别与信号发射单元800、延时模块600、复位模块400和计时模块300电连接，信号接收单元700与计时模块300电连接。
126.延时模块600可以被配置为响应于数控模块500的控制信号，生成驱动信号输出至信号发射单元，以及生成测量触发信号输出至复位模块400；
127.信号发射单元800可以被配置为响应于驱动信号发射测距信号；
128.信号接收单元700可以用于接收经物体反射后的测距信号，并根据接收的测距信
号生成记录触发信号输出至计时模块300；
129.数控模块500可以用于获取计时模块300的时间戳数据，并根据时间戳数据计算得到距离测量结果。
130.本技术实施例中，信号发射单元800可以是现有的任一种激光器，例如，二极管激光器、半导体激光器等，该信号发射单元800发射的测距信号则可以是脉冲激光信号。
131.信号接收单元700可以是单光子雪崩二极管spad，该信号接收单元700可以用于探测激光信号，并将光信号转变为电信号，因此，当信号发射单元800发射的测距信号经物体反射后，照射到信号接收单元700上时，信号接收单元700可以立即生成记录触发信号输出至计时模块300，以使得计时模块300响应于该记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，得到时间戳数据。
132.可以理解的，数控模块500可以具有存储功能，例如数控模块500可以对时间戳数据和距离测量结果进行存储，由于时间戳数据是信号发射单元800发射测距信号与信号接收单元700接收到经物体反射后的测距信号之间的时间差，因此，数控模块500可以根据距离＝速度*时间的计算公式，得到距离测量结果的计算式为：距离测量结果＝光速*时间戳数据/2。
133.请参阅图11，图11是本技术实施例中提供的测距系统的另一个结构示意图，该测距系统可以包括数控模块500、延时模块600、信号发射单元800、spad阵列900、tdc阵列1000以及锁相环1100，其中，锁相环1100可以用于为tdc阵列提供稳定的时钟信号clk，以使振荡模块100产生稳定的参考时钟信号，从而使tdc阵列1000的计数模块200和振荡模块100同步，以保证计数模块200的记录结果准确。
134.本技术实施例中，数控模块500通过延时模块600控制信号发射单元800发射测距信号，同时，还通过延时模块600发出测量触发信号至tdc阵列1000，tdc阵列1000中的复位模块400控制计数模块300复位，重新统计振荡模块100产生的参考时钟信号的运行周期数，当spad阵列900接收到经物体反射后的测距信号时，将该测距信号转变为电信号，生成记录触发信号输出至tdc阵列1000的计时模块300，计时模块300根据该记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，则得到时间戳数据，然后计时模块300将该时间戳数据输出至数控模块500，经数控模块500计算处理后，得到距离测量结果。
135.在一些应用场景下，多个tdc单元可以共用一个振荡模块100或计数模块200，一个spad传感器也可以连接多个计时模块300，例如，一个振荡模块100驱动四个计数模块200，每个计数模块200驱动八个计时模块300，其中，每两个计时模块300连接一个spad传感器，如此，便可以使每个tdc单元在单次测量中存储多个时间戳数据，避免spad传感器被环境光或其他光源干扰，生成误触发信号，使得每次发射测距信号时，spad传感器可能被多次触发，产生多个记录触发信号，而该多个记录触发信号中，有因环境光或其他光源干扰误触发的记录触发信号，也有因反射后的测距信号触发的记录触发信号。
136.此时，数控模块500可以将所有的时间戳数据都存储下来，通过多次测量求平均值的方法或者其他更高效的方法或算法将误触发的记录触发信号所对应的时间戳数据过滤掉，从而根据有效的记录触发信号对应的时间戳数据结合光速计算得到距离测量结果。
137.在实际应用中，spad传感器自身无法判断所接收的信号的有效性，因此，每个spad传感器可以连接多个计时模块300，每次测量时通过该多个计时模块300存储多个时间戳数
据，再由数控模块500对该多个时间戳数据进行过滤，以确保距离测量结果的准确性和可靠性。
138.如图12所示，图12是本技术实施例中提供的测距系统的一个场景示意图，其中，本实施例的测距系统为直接飞行时间dtof系统，如图12所示，在该应用场景下，测距系统用于测量与人体之间的距离，当开始测量时，信号发射单元800发射测距信号，测距信号经人体反射后，被信号接收单元700接收，此时，信号接收单元700将该测距信号转变为触发记录信号输出至计时模块300，使得计时模块300根据该记录触发信号获取计数模块200的当前记录结果，得到时间戳数据，然后将该时间戳数据输出至数控模块500，经数控模块500计算处理后，得到与人体之间的距离。
139.需要说明的是，本技术实施例中的测距系统因设置有上述实施例的tdc单元，从而具有上述任一实施例中tdc单元具有的全部有益效果，此处不再赘述。
140.应当理解，图10和图11所示的系统及其单元、模块可以利用各种方式来实现。例如，在一些实施例中，装置及其模块可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。其中，硬件部分可以利用专用逻辑电路来实现；软件部分则可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域技术人员可以理解上述的系统可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、小型镭射盘(compact disk，cd)或高密度只读光盘(digital versatile disc-read only memory，dvd-rom)的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本技术的系统及其模块不仅可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用例如由各种类型的处理器所执行的软件实现，还可以由上述硬件电路和软件的结合(例如，固件)来实现。
141.需要注意的是，以上对于系统及其模块的描述，仅为描述方便，并不能把本技术限制在所举实施例范围之内。可以理解，对于本领域的技术人员来说，在了解该系统的原理后，可能在不背离这一原理的情况下，对各个模块进行任意组合，或者构成子系统与其他模块连接。例如，图11中披露的spad阵列900和tdc阵列1000可以直接一体制备，spad阵列900集成在顶部，tdc阵列1000集成在底部。
142.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
143.具体实施时，以上各个单元或结构可以作为独立的实体来实现，也可以进行任意组合，作为同一或若干个实体来实现，以上各个单元或结构的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
144.以上对本技术所提供的一种tdc单元、tdc阵列以及测距系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。