[发明专利]一种单光子飞行时间检测电路及测量方法

权利要求书

1.一种单光子飞行时间检测电路，其特征在于：该电路包括转换控制逻辑单元，时间-模拟转换单元和n位数字计时/计数单元；外部单光子探测器输出的光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间-模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入端，时间-模拟转换单元输出光子飞行时间相关的模拟信号，n位数字计时/计数单元输出光子飞行时间相关的数字信号；

所述的转换控制逻辑单元包括第一RS触发器，D触发器和二输入异或门；第一RS触发器的S端接收外部光子雪崩信号，第一RS触发器的R端接收外部复位信号，第一RS触发器的Q端连接D触发器的D端和二输入异或门的一个输入端，D触发器的cp端连接外部时钟信号，D触发器的Q端连接二输入异或门的另一个输入端，二输入异或门输出端为转换控制逻辑单元的第一输出端，输出第一控制信号Inf，D触发器的Q端为转换控制逻辑单元的第二输出端，输出第二控制信号Con。

2.根据权利要求1所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的时间-模拟转换单元包括时间-模拟转换电路和读出选择开关；时间-模拟转换电路的in端接收转换控制逻辑单元输出的第一控制信号Inf，时间-模拟转换电路的R端连接外部复位信号，时间-模拟转换电路的out端连接读出选择开关，通过外部读信号控制读出选择开关来输出光子飞行时间模拟信号。

3.根据权利要求2所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的时间-模拟转换电路包括电容，运算放大器，2个反相器，CMOS传输门，2个NMOS管和6个PMOS管；第一反相器的输入端、第一NMOS管的栅极和CMOS传输门的端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，第一PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第一PMOS管的漏极连接第二PMOS管的源极和衬底，第二PMOS管的漏极和其栅极、第一NMOS管的漏极和第五PMOS管的栅极连接，第一NMOS管的源极和衬底接地，第一反相器的输出端接第三PMOS管的栅极和CMOS传输门的C端，第三PMOS管的源极同时与第一PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连，第三PMOS管的衬底接电源VDD，第三PMOS管的漏极和第四PMOS管的漏极、第五PMOS管的源极和衬底以及CMOS传输门的输出端2相连，第四PMOS管的源极和衬底接电源VDD，第五PMOS管的漏极和电容的上极板、第六PMOS管的源极和运算放大器的同相输入端相连，CMOS传输门的输入端1和运算放大器的反相输入端、运算放大器的输出端、第六PMOS管的衬底和漏极以及第二NMOS管的漏极连接，第六PMOS管的栅极连接第二反相器的输出端，第二NMOS管的源极和衬底以及电容的下极板接地，第二反相器的输入端和第二NMOS管的栅极接外部复位信号，运算放大器输出光子飞行时间模拟信号。

4.根据权利要求1所述的单光子飞行时间检测电路，其特征在于：所述的n位计时/计数单元包括二选一多路选择器，第二RS触发器，n位数字计数器和n位存储器；二选一数据选择器的输入0端接外部时钟信号，输入1端接外部光子雪崩信号，二选一数据选择器的Sel端接外部控制信号MODE，二选一数据选择器的输出端接n位计数器的cp端；第二RS触发器的S端接收转换控制逻辑单元的第二控制信号Con，第二RS触发器的R端接外部停止信号，第二RS触发器Q端接n位数字计数器的使能输入端EN；n位数字计数器的R端接外部复位信号，n位数字计数器的out端接n位存储器的数据Din端，n位存储器的读控制端R接外部读信号，n位存储器的写控制端W接外部写信号，n位存储器out端输出n位计时/计数信号。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述的单光子飞行时间检测电路对单光子飞行时间进行测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)复位和等待阶段：在开始进行光子飞行时间测量之前，外部复位信号输出高电平，n位数字计时/计数单元计数结果清零，时间-模拟转换单元复位，整个电路处于等待状态；当外部复位信号持续一段时间变为低电平后启动光子飞行时间测量操作，外部光源开始发射光子，计时起始时间从外部复位信号变为低电平时起计算；

(2)精计时：当第一个外部光子雪崩信号到来时，转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为高电平，控制时间-模拟转换单元开始计时工作，时间-模拟转换单元的输出电压在外部时钟信号上升沿到来之前随着时间线性增加；

(3)粗计时：在接收到外部光子雪崩信号后的第一个外部时钟信号上升沿到来时，转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf变为低电平，时间-模拟转换单元处于保持阶段，其输出电压不再随时间发生变化；同时转换控制逻辑单元的第二控制信号Con变为高电平，控制n位计时/计数单元开始工作，外部控制信号MODE控制n位数字计数器在计时模式和计数模式间切换；

(4)写入：当外部停止信号输出停止脉冲时，n位数字计数器停止计时或计数；当外部停止信号发出停止脉冲后，外部写信号发出写入脉冲，n位数字计数器的计时或计数结果写入n位存储器进行暂存；

(5)光子飞行时间计算：当外部读信号输出读出脉冲时，将时间-模拟转换电路的模拟计时结果和n位存储器中数字计时结果同时读出，根据时间-模拟转换电路读出的模拟计时信息可以算出精计时阶段的时间Tfine，根据n位存储器读出的数字计时信息可以算出粗计时阶段的时间Tcoarse，从计时起始时间开始到外部停止信号结束为总测量时间Ttotal，最后得到光子飞行时间TOF＝Ttotal-Tfine-Tcoarse。