渡越時間 (ToF) 子系統為各種應用提供快速距離測量，包括汽車駕駛員輔助系統、無人機，甚至用戶界面。 雖然 ToF 應用十分廣泛，但對技術要求高，且需要設計人員在精度、范圍、響應時間、分辨率和成本、功耗、可用封裝等要求之間取得平衡。

專用 ToF 設備提供了一定靈活性來幫助平衡這些要求，從而滿足特定應用需求。 兩種這樣的專用設備提供了替代方案，它們是 Texas Instruments TDC7201 時間數字轉換器和 Intersil ISL29501 ToF 信號處理 IC。

本文將首先簡要介紹 ToF 的工作原理，然后再介紹這兩種解決方案，它們如何解決 ToF 系統設計人員的需求，以及它們的評估和使用方法。

ToF 的工作原理

ToF 法是使用光波、超聲和雷達技術感應遠程物體的關鍵所在。 這些 ToF 系統的操作原理相對簡單。 發射器發出調制信號，目標物將一部分信號反射回到接收器。 接收到的信號與發射的信號通過專用處理器關聯，處理器測量渡越時間并計算目標物的對應距離（圖 1）。

圖 1： 為了測量到目標物的距離，ToF 子系統通過專用處理器關聯發射信號和反射信號，以便轉換為距離測量。 （圖片來源：Texas Instruments）

關鍵要求

在測量技術中，由于 LED 或激光發射器及其對應光電探測器的出現，光檢測和測距 (LiDAR) 技術已成為日益增長的消費應用中的普遍選擇。 但以光速（空氣中大約 300,000 km/s）工作時，LiDAR 系統需要快速可靠地執行其功能，尤其是對于旨在檢測非常近的目標物的應用。 例如，距離為 1 cm 的目標物，渡越時間僅約 67 皮秒。

定制構建的 ToF 系統可以達到高度專業應用中使用的超短距離測量所需的皮秒分辨率。 對于這些定制系統，工程師根據饋送測量邏輯的復雜信號鏈（通常使用 FPGA 實現）創建 ToF 設計，以實現所需的性能水平。

但對于主流消費應用，開發人員面臨的性能挑戰難度通常要小，重點轉向低成本、規格和功耗，而不是單純的測量速度和分辨率。

即使滿足了主流應用預期的規格和成本要求，ToF 系統也面臨許多信號要求。 長距離或短距離應用必須應對由距離引起的干擾能量源或減少的能量反饋，以及由空氣塵粒和/或潮濕引起的波束發散。 在這些情況下，工程師可能需要設計專門的接收器信號鏈來處理低信噪比、調制和關聯方面的要求。

這些挑戰在掃描 ToF 中變得更為突出，其中輸出能量為目標物繪制一個很長的掃描帶，以便在目標場景中創建一個更全面的深度透視。

對于這里要討論的更為常見的單點測距系統，專用 ToF 檢測器的出現極大簡化了這些系統的設計。 對于一般的測距應用，Texas Instruments TDC7201 時間數字轉換器 (TDC) 提供了可支持超聲、光和雷達等技術的通用解決方案。 4 mm x 4 mm 封裝集成了所需的精準定時電路來確定渡越時間，使工程師可以集中精力優化 ToF 設計中的發射器和接收器級。

在系統層面，除了生成和檢測信號的需求外，TDC7201 還在發射器和接收器級增加了一項簡單要求。 工程師需要確保發射器和接收器都發出一個 10 ns (min) 脈沖到 TDC7201，以指明渡越開始和結束的時間。 反過來，TDC7201 將自動測量脈沖信號從開始到停止所用的時間并計算實際渡越時間。 最終結果、原始數據和配置數據均保存在專用的寄存器中，可通過設備的 SPI 接口訪問。 通過額外增加一個主機處理器（如 TI MSP430），該模塊化設計提供了一個精密的 ToF 系統（圖 2）。

圖 2： 通過集成一對時間數字轉換器，Texas Instruments TDC7201 極大簡化了要求專用發射器和接收器級的應用中的渡越時間設計。 （圖片來源：Texas Instruments）

除了減少設計封裝和零件數量外，這些集成式設備一般使用低功耗運行模式，有助于在電池供電應用（如移動設備和無人機）中節省電能。 例如，Texas Instruments TDC7201 TDC 在有源模式、空閑模式和關斷模式下分別僅消耗約 2.7 mA、100 μA 和 600 nA 電流。 實際上，典型應用可能每秒只需要一個或兩個測距操作，因此一般主要是空閑狀態占用功耗。

此外，如下所述，TDC7201 在長距離目標檢測所需的擴展測量周期之外，可提供減少功耗的測量模式。

范圍靈活性

TDC7201 集成了一對獨立的 TDC，從而組成一個高頻環形振蕩器和計數器。 每個 TDC 均包含開始輸入和停止輸入，分別對應發射器生成光束（或聲波）的時間和被接收器檢測到的時間。 對于持續時間小于約 2 μs 的渡越，每個 TDC 在有源狀態下運行，使用內部環形振蕩器測量渡越時間。 因此在該模式（稱為測量模式一）中，設備在空閑狀態的 100 μA 功耗和有源狀態的 2.7 mA 功耗之間轉換。

TDC7201 提供的第二種測量模式可針對較長時間的渡越減少功耗。 在該模式中，設備在有源狀態的持續時間不超過一個外部 16 MHz（最大）時鐘的周期。 在有源狀態下，設備使用內部環形振蕩器測量開始或停止信號和外部時鐘下一個上升沿之間的時間增量。 在這些開始事件和停止事件之間，設備進入僅消耗 140 μA 的低功耗狀態。 在該狀態中，TDC7201 關閉 TDC 并使用內部計數器計算外部時鐘周期。 渡越結束后，TDC7201 使用兩個環形振蕩器測量數據（開始和停止）調整這個周期計數，并將最終結果存儲在寄存器中。

通過這種方法，設備可在測量長時間渡越的同時保持低功耗要求，因為大部分渡越時間運行在 140 μA 狀態下，只有在開始和停止測量時短暫切換到 2.7 mA 有源狀態。

測量模式二可以為最多 8 ms 的長時間渡越實現低功耗運行。 另一方面，對計算完整時鐘周期的依賴性意味著分辨率下限由外部時鐘的周期寬度決定。 因此，標稱 8 MHz 外部時鐘的最小渡越持續時間是 250 ns 或大約 40 米最小距離。 為了測量更短的距離，開發人員可使用支持最低 12 ns（1.9 米）的測量模式一。

對于要求超短距離接近檢測的應用，ToF 系統需要能夠測量厘米級而不是米級的距離。 通過兩個 TDC，TDC7201 為開發人員提供了一種方法來測量快至 0.25 ns（對應約 4 厘米）的渡越。 在這種方法中，主機 MCU 同時發送開始信號到兩個 TDC（圖 2 中的 START1 和 START2）。

反過來，如圖 2 所示，發射器生成射出光束后發送停止信號到其中一個 TDC，接收器在收到對應入射信號后發送停止信號到另一個 TDC。 通過這種方法，TDC7201 為渡越開始和停止時間提供獨立的精確測量。 兩者的差值即為實際渡越時間（圖 3）。

圖 3： 通過 TDC7201 的兩個獨立時間數字轉換器測量渡越開始時間 (T1) 和停止時間 (T2) 之間的差值，開發人員可測量低至 250 ps (4 cm) 的渡越持續時間 (T3)。 （圖片來源：Texas Instruments）

TDC7201 等集成式設備可支持那些要求檢測處于厘米范圍內目標物的應用。 但在實踐中，對于大多數應用來說，測量一致性通常比最小可實現距離更加重要。 為了幫助減少瞬態測量誤差的影響，TDC7201 提供平均功能。 對于這一點，設備的內部 TDC 執行多個測量周期并計算平均結果。 與其他操作一樣，TDC7201 執行這種平均序列，無需主機 MCU 干預。

TDC7201 還包括自動自校準功能，專用于減少由于溫度變化或漂移引起的誤差。 自校準序列在每次測量后自動執行，它將內部環形振蕩器一個周期的持續時間與外部時鐘進行比較，并將結果保存在內部寄存器中。 設備在將周期計數轉換為實際 ToF 值時使用這些自校準值。

雖然設備考慮了測量誤差，但結果的一致性關鍵還是取決于外部時鐘本身。 重大的時鐘抖動或頻率誤差會直接轉換為測量中的誤差。 因此，測量一致性要求選擇頻率誤差和抖動特性低于目標物測量窗口的振蕩器。

例如，Texas Instruments TDC7201-ZAX-EVM 評估模塊使用 Abracon LLC ASFLMB 8-MHz 振蕩器，指定頻率穩定性和抖動分別為 50 ppm 和 10 ps。 對于 TDC7201 支持的持續時間測量，這些特性會引入通常遠低于大多數應用分辨率閾值的誤差。

集成 ToF 解決方案

通過 TDC7201，設計人員可創建專用發射器驅動器和接收器信號鏈，以便克服由于距離或環境條件引起的不良信號狀態。 但對于許多主流應用，零件數量和設計封裝至關重要。 對于這些設計，Intersil ISL29501 ToF 信號處理器集成了發射器和接收器級，以最小的額外付出為短距離對象檢測提供了有效的解決方案。

ISL29501 集成的數模轉換器 (DAC) 可輸出 255 mA 脈沖電流來直接驅動外部 LED 或激光。 對于接收器，開發人員可直接連接光電二極管到專用輸入引腳。 此差分輸入連接到一個完整的模擬信號鏈，其中包括跨阻放大器 (TIA)、低噪放大器 (LNA)、解調器、帶通濾波器和模數轉換器 (ADC)。 除了 LED 和光電二極管檢測器，ISL29501 無需其他外部元器件，即可創建最多檢測兩米遠目標的完整 ToF 解決方案（圖 4）。

圖 4： Intersil ISL29501 集成了發射器驅動器、接收器信號鏈和測量邏輯，開發人員只要少數額外的元器件即可創建完整的 ToF 設計。 （圖片來源： Intersil）

ISL29501 向主機 MCU 提供距離信息和原始數據，信息可用后即發送中斷。 使用該設備執行距離測量只需 I2C 串行接口上進行一些傳輸（列表 1）。

列表 1： 開發人員只需在 Intersil ISL29501 的 I2C 總線發送一些命令，即可啟動自校準或時間測量等獨立操作。 （代碼來源： Intersil）

結論

目標物距離檢測能力已成為越來越多的應用更具重要性的特征。 對于許多應用，減少設計封裝、成本和功耗比實現極高分辨率和/或短距離測量的需求更為重要。 在這類應用中，工程師可找到滿足特定要求組合的集成式 ToF 設備。

Texas Instruments TDC7201 TDC 簡化了基于專用發射器和接收器級的 ToF 設計，Intersil ISL29501 ToF 信號處理器則為接近檢測系統提供了一個直接替代型解決方案。 使用這些類型的設備，工程師可快速響應消費產品和工業產品中高性價比測距功能的需求。