飞行时间 (ToF) 技术越来越多地用于测距和接近感应，应用范围从消费品到工业设备。单芯片 ToF 处理 IC 的出现有助于简化这些解决方案的实施，但开发人员仍需完成一些关键任务，例如找到合适的发射器和光电二极管并进行优化，以及将这些器件与该 ToF 处理器进行集成。通过使用更加集成的方法，可大幅简化流程并节省时间。
为了解决这个问题，Digilent 开发了一款预构建的 ToF 扩展板。该板与高性能系统板和相关的软件库结合使用后，可提供完整的硬件 ToF 解决方案。现在，开发人员可以立即开始 ToF 应用原型开发，或使用此硬件和软件作为基础来设计定制的 ToF 硬件和软件。

ToF 传感器的工作方式

ToF 传感器在越来越多的应用中扮演着重要角色。在车辆和工业设备中，当操作人员进行停车或近距离操控时，这些传感器有助于为操作人员提供障碍物警告。在消费类应用中，这些器件可在移动产品或家庭自动化系统中提供接近感应功能。在上述和其他应用中，光学 ToF 系统使用不同的方法来计算到外部物体或障碍物的距离，其中全部依赖于外部物体反射光与原始透射光之间的某些差异。
高级 ToF 器件如 Renesas 的 ISL29501 基于 ToF 的信号处理 IC，通过测量外部 LED 或激光器发射的光与光电二极管接收的光之间的相移来计算距离。当 ISL29501 以给定的频率 fm 发射经方波调制的光 (Tx) 时，来自物体的反射光信号 (Rx) 会以衰减幅度 R 返回至 ISL29501，并带有一定的相移 j（图 1）。
图 1：Renesas 的 ISL29501 等高级 ToF 器件使用内部数字信号处理能力，根据透射光与反射光之间的相移 j 来计算到物体的距离。（图片来源：Renesas）
通过测量此相移，该器件可以计算距离 D：
公式 1

其中：
D = 到目标的距离
c = 光速
fm = 调制频率
φ = 相位角（弧度）
由于调制频率信号 fm 和光速 c 是已知参数，因此可以通过找到剩余因子相位角 φ 来计算距离。该因子可以使用传统的正交信号处理技术来计算。在此处，同相 (I) 和正交 (Q) 信号分量由单独的 I 和 Q 信号路径生成，这些路径包括解调器、低通滤波器 (LPF) 和模数转换器 (ADC)（图 2）。
图 2：为了获得计算距离所需的相位角 φ，Renesas 的 ISL29501 对输入信号 (VIN) 的同相 (I) 和正交 (Q) 信号分量进行解调、滤波和转换。（图片来源：Renesas）
在内部，ISL29501 将解调流水线之前的综合信号路径与模拟前端 (AFE) 信号调节级相集成，后者包含跨阻放大器 (TIA) 和低噪声放大器 (LNA)。ISL29501 的输入信号路径位于 AFE 之后，具有一条可变增益 (Av)、自动增益控制 (AGC) 回路，而此回路会使用内置算法来优化 SNR。
在输出端，ISL29501 集成了一个片上发射器驱动器链，其能够以 4.5 兆赫兹 (MHz) 的调制频率向合适的发射器提供方波脉冲，还能提供高达 255 毫安 (mA) 的驱动电流。内部数字信号处理器 (DSP) 会处理所需的计算，以便根据相位、幅度和频率数据生成距离结果，从而使得这个功能架构趋于完整（图 3）。
图 3：Renesas 的 ISL29501 组合了信号路径和内部数字信号处理器；这些路径可驱动发射器和处理光电二极管输入，而处理器可执行算法来根据相位、幅度和频率数据计算距离。（图片来源：Renesas）

作者：Stephen Evanczuk