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研究生: 李冀翔
Li, Ji-Shiang
論文名稱: 低漂移誤差之採用前緣辨識器與飛行時間量測法之脈衝雷射測距儀
Low Walk Error Receiver Channel with Leading Edge Timing Discriminator for a Pulsed Time-of-Flight Laser Rangefinder
指導教授: 徐永珍
Hsu, Yung-Jane
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 65
中文關鍵詞: 雷射測距儀漂移誤差轉阻放大器限幅放大器前緣辨識器
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  • 本論文為一個使用飛行時間法(time-of-flight)之脈衝雷射測距系統,在時間點辨識方面採用的是前緣偵測辨識法(leading edge discrimination),時間點辨識是測距系統一個非常重要的部分,因為它會直接影響距離量測的精準度。由於訊號振幅變化的範圍很大,此種辨識法在傳統的架構中,有著漂移誤差(walk error)非常嚴重的問題,通常是採用峰值偵測器(peak detector)去量測每一次回來訊號的振幅,再根據已知距離的修正表(correction table)去做補償。在本論文中,有別於傳統的做法,並未使用峰值偵測器來做補償,而是使用光纖通訊電路中限幅放大器的架構來直接降低漂移誤差,增加整個系統的精準度。
    在整個系統中,接收端的電路是主要設計的部分,晶片是透過國家晶片設計中心,以TSMC 3P3M 0.35μm SiGe BiCMOS標準製程來完成,整個電路包括光感測器(photo detector)、轉阻放大器(transimpedance amplifier)、限幅放大器(limiting amplifier)與ECL時間比較器。量測時以圖騰產生器產生兩個有時間延遲的脈衝來模擬實際測距時,雷射光在空氣中來回飛行的時間,並利用時間至數位轉換器(time-to-digital converter)將此時間值轉換為數位訊號以供判讀。量測結果顯示在200ns~1000ns的時間延遲範圍以及50uA~1mA輸入電流範圍內,整個系統都能正確操作。


    第一章 序論 1 1.1 相關研究發展現況 1 1.2 雷射測距原理 3 1.2.1 飛行時間法 (TOF) 3 1.2.2 相位差法 4 1.2.3 三角測距法 5 1.3 研究動機 7 1.4 論文架構 9 第二章 時間辨識原理與系統分析 10 2.1 時間辨識機制原理 10 2.1.1 前緣偵測辨識機制 10 2.1.2 固定比例辨識機制 13 2.2 系統分析 15 第三章 測距系統接收端之電路設計 17 3.1 改善漂移誤差所提出之電路架構介紹 17 3.2 接收端電路架構設計 19 3.2.1 光感測器(Photodetector , PD) 19 3.2.2 轉阻放大器(Transimpedance Amplifier , TIA) 20 3.2.3 限幅放大器(Limiting Amplifier , LA)與單端轉雙端差動放大器(Balun) 23 3.2.4 輸出級(Output Buffer) 24 3.2.5 時間比較器(Timing Comparator) 25 3.2.6 直流偏移消除電路 (DC Offset Cancellation) 28 第四章 模擬結果 32 4.1 接收通道交流分析(TIA+LA) 32 4.1.1 製程變異模擬(TT/FF/SS) 32 4.1.2 溫度變異模擬(0°/ 25°/ 50°) 34 4.1.3 電壓±10%變異模擬(2.7V/ 3V/3.3V ) 35 4.2 接收通道暫態分析(TIA+LA) 37 4.2.1 TT、3V、25°下之暫態模擬 37 4.2.2 製程變異模擬(FF/ SS) 39 4.2.3 溫度變異模擬(0°/ 50°) 41 4.2.4 電壓±10%變異模擬(2.7V/ 3.3V ) 42 4.2.5 整體接收通道延遲模擬 43 4.2.6 結論 45 4.3 佈局考量 46 第五章 量測環境建立與結果 48 5.1 量測環境介紹 48 5.1.1 使用儀器 49 5.1.2 PCB板 50 5.2 量測結果 51 5.2.1 接收通道IC量測 51 5.2.2 系統量測 56 5.3 量測結果討論 61 第六章 總結 63 6.1 結論 63 6.2 後續研究之建議 63 參考文獻 64

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