（物理电子学专业论文）扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究.pdf

硕士论文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 abs tract 仆esc ann i n g coo l e d th e rma 】 i m a gi n gs y stemhas bett e r m 现 l o wer n o i se ， b e tt er i m ag i n g q uali tyand h i ghe r s n r . i t has p l ay e d a v i tal ro l e inbull di n g即 o urn a t i o na】 defe ns elnth e p as t fe wy e ars， th e c 加 的 e s e g o v e n ” 刀 e n t h a s ln c r 已 巧 edmve stm ent inthe s canmn g fo cal p 俪e a n 习 y th e n 力 al加ag in g sy st e m . t b e g o v e n ” 刀 ent al soh o pes toha v e a b r e al 团 比 o u gh in th ecooj ed th e n n al u n a g n gsys t e m andca比 h叩 w i l hthewest 。 刀 c o u n tries. inthis p a per，the drive ci 代山 t 助d th e pow e r c ircuit 幼thfo 、 v e r noi seand比幼 盯 q 回 i ty拼 d e s l gne db ased o n b asicsyst e mthe o 尽助a l y si s 叨dsi gl 坦 】 加 t e ghtya n a l y si s. go ode 月 七 c t i s o b 城n ed in面s p 句 ” r . f irst l ythe dev e l o p m。 川 透 l hi 引 d ry o f 加 分 ar ed th e n 刀 月 】 七 明咖 g s y st e mi s l o o k ed b 朗k 俪e n y inthe p 月 祀 la 刀 dital sodi s cus岛 th e 目 v antage ， us in g pi 钾即 dthe g e n e 司 tren dso f the s c a n n i ngfo cal pl an e 别 rr a y th e rmali m agm g sys te mcomparin g toth e s ta 币 ng 几。i p lane 即 rr a y t b e n ” a 】 加匆n g s y s t e m. thedrive ci r c u i t withl o 、 v e t noi ， 朋dhi ghe r p r ecis ion isdesi gned int h e p al 犯 r.lt i ncl u d e s th e an a 】 o g c i r c u l 仁 。 任 沈 t vol 加 喀 e s c 加ul t and the fo 。 目p i 叨 e a n 习 y 面ver c i r c 山 t . t 五 eadv anc ed 幻 口 aj 旧 p u l at i o nc i rcui 仁m em o ryc ir c ul t andcol l e ction c i r c u l t are d e v e l o p e d re s p ecti v e l y ， 朋 d th e sec i rc ui tsm ak e it pos s i b l e toi m p 1 ement 印 m p l i fi er， fi l ter and a/d c o nve rs i o nfor th e 即a l o gs i gnal s fromthe fo 。 习p l ane别 rr a y，the n们 n e r o o r i ze andtr 山 招 而t di gi tal川 肚 ig e d a ta i n t o a co m p ut er， hio r d e r tog etl ow noi se ， hi ghp r ec i s i on。 且 沈 t v o l ta g e s ， the d es i gno f the o ff 比 t v o l tage s c 吮u i t i s d ev e l o ped b y m u 】 ti -c b 双 m e l ， 幻 胃 e l veb i tsvol ts 嗯 e 。 u tp utd ig i 议一 to 八 刀 目 。 gc o n v e rt 周 rs . hi o r d e r to k e e pth el b c dplane 曰 rr ay d e t e c t o r to wo水non n al l y，the fo c alp l ane a n ， y driv erc ircul t i s devel o pe d b y a p ro g r 出 n 刀 l able l o g i c dev i ceb as e d o n the anal y s i s o f th e c l o ckan d the i ni e gr al t 七 n e . ino r d erto g etm u l t i . c b 双 m e l ， l o wn o 谕， b i gc 往 rt e n t an dhi gh 叫u i rem ent fi x ed c u 口 即 t s o 议 r 冷 ， th e d es i gn o f th e power c 诉ul t i s dev e l o p e d 叭 由 i chcan s tabl y s u p p l y fo r 加 ntend a n a 】 o g c irc山 t and b 朗k e n d d i g 1 ta l l magin g pr o c e s si n g c ir c u i t . f i 耐l y ， a s ununary i s gi ven a boutthe de s i gno f th e driv e c ircult an d the p o wer c i t o f th ei 到 出 盯 ed co o l ed fo c a 1 p l ane 别 rr a yth e m 回 加昭访 gs y st e m ，in时d it i o n ，the 沁u ffic i enc y ispres et 1t( 月 ， al l ofthes e i s the b as e o f the fo l l o 协 云 l g r e se ar c h o n this c o o l ed th e rma l 吮叱m g s y st e m k e yw 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热成像有时也称为前视红外 系统 ( f l ir)tij 。 1 . 2 热成像技术的现状和发展 红 外热成像系统分为制冷型和非 制冷型。 制冷红外 热像系统又 有一 代、 二代和三 代之分。 第一代红外热成像系统主要由红 外探测器 ( 含致冷器) 、光机扫 描器、 信号 处理电路和视频显示器组成. 红外探测器通常使用的有锑化锢( 玩s b)和磅锅汞( c mt ) 器件，目 前发展的是高性能多元c m t 探测器， 器件元数己 高达60元、120 元和 18 0 元。多 元c m t 器件不但提高了 探测度，而且可以 增 大视场， 提高 分辨率和信噪比， 并 可 在3 5 卜 m和8 14林 m两 个 大 气 窗口 波 段 下 工 作 . 20世 纪80年 代 初， 又 有 一 种称为5 州te探测器新型红外探测器 ( 或称 扫积型 探测器) 问世， 它是由n 条纵横比 大 于10 : 1 的 窄 条 光 导c m t 元 件 所 组 成 ， 在高 偏 压下 工 作。 s p ri t e 探 测 器 除了 具 有 探测功 能外， 又能在元件内部实 现信号的时间延迟和积分， 从而取消了 普通线列器件 所需的 后接信号处理电路， 减少了 元 件引 线和热负 载， 使红外系统简化紧凑， 工艺难 度下降， 大大 提高了可靠性。目 前美国的 热成像通用组件采用多元 60元、120 元、 180 元) c m t探测器，并扫体制，图 像清晰度可与采用图像增强技术的图像相比， 最小可 分辨温差 达0 . i ko 第 二代红外 热成像系统与第一 代通用组件相比 响应速度更快、 分 辨率更高、 视场 更大、 尺寸 更小、 质量更轻、 可靠性更好、 能耗更少、自 动 化程度更高， 且应用范围 硕士论文扫描型热像仪读出驱 动和系统电源研究 更广。 第二 代热成像系统采用位于光学系统焦 平面、 具 有n x m元 且带 有信号 处理的 面阵探测器，即红外焦平面探测器阵列 ( i r 卫 p a ) 。它是借助集成电路的方法将探测 器装在同一块芯片上， 并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号传输到 信号处 理器中 。 这种焦 平面阵 列的 优点是， 既能在焦 平面上封装高密 度探测器， 又能 在焦平 面上进行信号 处理. 红外焦平面阵列是 探测器 制造技术和大 规模集成电 路结合 的 产物， 有两 种工作方式: 一种是扫描式， 其阵 列规模多 在 s o x 4 i 0 00 x 32元之间 ， 前一数字表示分辨通道的数目， 后一数字决定时间延迟和积分的次数: 另一种是凝视 式， 其阵列规模在犯x 32512 x 512 元之间。 阵列中元数越多，能获 得视场景 物的 分辨率就越高。 目前红外焦平面凝视式阵列 ( 称为第三代红外热成像器件) 日趋成熟， 除3 2 x 3 2 和64x 64元凝视式中 波红 外阵 列外， 512 x 5 12元高密 度c m t阵 列己 经问 世以 3 1 。 红外 探测器是红外成像系统的核心部件， 而红外 探测器分为光 子探测器和热探测 器两大 类。 虽然光子探测器如蹄锅汞 ( h g cdte) 探测器 ( 工作 在8 1 4 林 m波段) 和 锑化 锢 ( in s b) 探测器 ( 工作在3 5 卜m波段) 的灵敏度、响应 速度、 探测距 离等 性能都比较高， 但必须用低温致冷器进行制冷， 而且红外成像系统几乎都要使用机械 扫描装置， 因 而整个红外成像系统显得结构复杂、 体积大、 成本高。 尤其是昂贵的 价 格不仅限 制了 它在军事上的 普遍应用，而且使商 业 ( 民 用) 用户望而却步。近年来， 军 几民 用的低成 本非 致冷焦平面及其成像系 统飞速发展， 标志着这门高新技术的美好 前景. 非致冷热成像技术采用热电探测器探测景物的热辐射， 利用热电探测器对红外 辐射引 起的 温度变化敏感， 而温度变化速度和探测器某些电参量 成正比， 通过光电和 电光转 换成像。 其主要优点是可以 在一般环境 温度下工作， 不需要致冷; 缺点是灵敏 度低和响应速度慢。 非致冷焦平面的出现和应用标志红外技术的又一次革命， 拓宽了 红外热成像技术发展领域. 3 本文的研究背景和意义 红外热成 像系统的 研究对国防建设和民 事应用 都有着非常重要的 意义。 近几年国 内 在红外热成 像系统的 研究上投入了 很多资金， 希 望在热成像系统上能够有所突破， 赶上西方国家， 达到 世界水平。出 于这个目 的， 我 们教研室和昆明 物理研究所开展了 5 7 6 x 6扫描型红外成像 系统研究，该 项目 主 要面向 国防军事上需要高质量红外成像 需求的领域。 5 7 6 x 6 扫描型红 外热像仪是国 内首个自 主研发的 高性能扫描型红外热像仪，它 需要达到如下 功能: 电路 在低电 平时全局复位、 抗光晕功能、 背景撇除功能、 积分周 期可调、 八档增益可 调、 随机 像元剔除、 双向td工 扫描功能、 旁路测试和两种增益自 动调节功能。 相对与 非制冷红外成像系统，它的噪声 低， 成像质量好，信躁比 高. 2 硕 士论 文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 本课题的主要内容是:采用昆明物理研究所的5 76x6 扫描型红外探测器芯片， 研制红 外焦平面热成像系统。完成 这个热成像系统研制所要进行的工作包括如下: ( 1) 红外光学系统的设计，这部分所要实现的功能是把目标物体的红外辐射聚 焦到焦平面阵列上: ( 2 ) 红外热成像系统电源设计， 这部分主要用于产生系统各个部分的供电电源， 包 括: 为 前端的 模拟电 路部 分提供多路 稳定、 低噪声、 大电 流电 源及高 要求的 恒流源， 并为后端图像处理电路提供稳定的数字电源; (3)驱动电路的研制，驱动电路使焦平面探测器能正常工作，并且把从探测器 输出 端输出的 原始模拟图 像信号 先作一定的预处理， 然后完成模/ 数变化，最后送到 计算机存储起来，以 便后续处理; (4)红外图像的处理，包括非均匀性校正、直方图均衡、盲元补偿等功能，以 便得到适合人眼观察的有用的红外图像信息。 其中， 成像系统的模拟部分是影响成像效果的关键部分。 由于模拟信号比较容易 受到 干扰， 特别 是这种数字模拟混合的 处理电 路， 尤其需要注意. 系统属于采集前 端， 红外原始图像能量本来就比较弱，如果此时产生较大的干扰则会严重影响成像效果。 本 文深入研究了抗千扰措施， 使得数 字部分对模拟部分信号的影响大为降低， 收到了 比较好的效果。 4 本文主要的 研究工作 本文以设计和研制低噪声、 高性能的扫描型红外热像仪的读出驱动和系统电源为 主要目 标， 全面阐述了红外热 成像 技术的 现状和发展、 红外探测器的发展 和分类， 研 制了 低噪声、 高精度的读出驱动 和多 路稳定、低纹波、 大电流的系统电源。 围 绕本课题本文主要做了如下的 研究工作: ( 1) 深入研究扫描型红外热像仪的 工作原理， 对红外焦平面阵列的 输出 信号、 读出 驱动以 及系统各部分供电要求 做细致的分析， 设计出了 扫描型 红外热像仪读出驱 动和系统电源的整体方案. (2) 设计 并开 发了5 76x 6 扫描型 红外热像仪的读出 驱动电 路。 通过 对焦平面阵 列所 需偏置电 压的精度和纹波要求的 分析和计算，采用高精度的多位 d /a 转换器结 合抗 千扰措施实现了 读出驱动中高 精度、低噪声的偏置电压;深入 研究576 x 6 红外 焦平 面读出电 路的成像原理， 通过对主时 钟和积分时间的 计算和分析， 采 用目 前 应用 广泛的 可编程逻辑器件完成 驱动 控制时序的设计和实现; 通过分析计算， 设计并实现 了模 拟电 路， 包括滤波、 放大 等预处理以 及原始数据采集通 路， 以 便后续 处理并 最终 经过 视频d a转换器转换成标准视频信号 输出;并 对系统的 信号 完整性进行了 分析， 针对引 起信号完整性问题的因素， 采 取了 相应的抗干扰措施， 使数 字对模拟信号的 影 3 硕 士 论 文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 响大为降低。 ( 3) 设计并 研制了5 76x 6 扫描型红 外热像仪的系统电 源。 根据红 外热成像系统 各部 分对供电的 要求， 分别采用d c 心c变换 器和电 源模块两种方案来设 计并开发了 整个红外热成像系统的供电电源， 深入研究了系统电源板上噪声产生的问题， 区分其 产生 噪声的 主次因 素， 对主要因素 “ 信号的反 射” 和 “ 地弹效 应” 进行了 精心设计， 使系统产生的噪声大为降低。 ( 4 ) 对热像仪读出驱动电路板和系统电源板， 分别进行了硬件调试和系统联调， 并 针对调试中出 现的问题，提出了解决方 案和建 议，为下一步的改善 打下了 基础. 硕士论文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 2 扫描型和凝视型焦平面红外探测器 2 .1 红外焦平面探测器的发展和分类 第一代红外探测器的功能只是将红外辐射信号转换成电信号，对信号的进一步 处理是在杜瓦封装以外完成的。在第二代红外探测器中，增加了r 0 1 c ( 信号读出电 路) . r o i c与探测器列阵互连在一起，并同时集成在杜瓦或特殊的封装中。r 0 1 c 的 增加，使红外探测器技术发生了巨 大的 变化， 构成所谓的焦平面阵列f 队卜 j : 1) 通过多路传输，将探测器列阵的信号从空域变到时域，极大地减少了封装所 需的电极引线数量，使得在一个芯片上可以制造数量高达百万元以上的探测器列阵， 使红外凝 视成像成为现实，同时制 冷的负担基本不变。 2 ) 现在的r 0 1 c己 经不仅仅是一 个多 路传输器了， 而是具有很多功能的、复杂 的 信号处理电路。如具有 t d i ( 时间延迟积分) 、信号分割、撇除、 缺陷 元剔除、探 测元 性能 优化、增益控制、改变扫 描方向、 视窗、 变帧频等功能。 可以预见， 随着 ic 技术的发展， 将会有更多的信号处理功能被集成在r oic中， 甚至将热成像系统所需的所有信号处理电路集成在 r 0 1 c 中也是不难想象的。简言 之，f p a最大的特征是实现了电信号的原位处理。 f 队 是在与其紧密联系的 ic 技术基础上发展起来的。因此与 ic 有类似的发展 规律， 如从线列发展到面阵， 从短线列发展到长线列、 超长线列，从小面阵发展到大 面阵、超大面阵等。但 f p a是先进的红外探测器技术与 ic 技术相结合的结果，因此 又要受前者的制约，故又有其发展的特殊性。从 f p a发展的一般规律看，要从需求 牵引 和技术发展两个方面考虑问题. 就 f p a技术的发展而言，也是从线列发展到凝 视面阵，从短线列发展到长线列、 超长线列，从小凝视面阵发展到大凝视面阵、超大 凝视 面阵。 如果考虑到红外探测器 技术， 尤其是探测器材料技术难度很大、 红外系统 比可 见光系统复杂、价格昂 贵等因素， 扫描型和凝视型f pa 的发展就有其 特殊性。 f pa 只有满足系 统任务的 要求才能发挥作用.规则不同，红外系统的分类方法 就不同。 按最一般的用途， 红外系统可 分为以下3 大类: l) i r l s( 红外行扫描仪) : 2) n ( 热像仪) 或f l ir ( 前视红 外系 统) ; 3 ) 1 丈 s t( 红外搜索 假 踪系统) . 上 述系统还可以 细分。 例如，按高 度分， i r i js 可分为航空和航天两类:按体积 和重 量分， n可分为 平台型 和便携式两类:按 使用的f p a 分， n可分为 扫描型和凝 视型 两类;按 f p a是否使用 制冷器分， 竹可分为制冷型和非制冷型两类:在火控系 统或 供人眼观察的是观瞄型n， 在导弹中 用于 精确制导的是 制导型n等 等。 硕士论文扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 2 凝视型焦平面红外探测器 凝视型f pa 的主要特点: 1) 不 需要光学 机械扫描器 o m s ) ， 简化了 系统结构， 减小了 系统体积， 减轻 了 系统 重量。 在红外成像制导，尤其是在需 要耐高过载应用时， 这是很大的 优点。 2) 不需要o m s ， 增加了 每个探测元的 积分时间， 提高了 系统的 热灵敏度。 用中 波 f pa 制作的凝视热像仪所获得室温 目 标的热像，也可与长波扫描型f 队 的媲美。 3) 能连续 地探测、 跟踪和测 量在背景中 的点目 标， 特别是拥有“ 即 即 sho t ” 功能 一帧热像冻结后，再顺序输出)后，可跟踪和测量高速目标，这是扫描型 f 队 不 可能做到的。 4 )能 方便地改变帧频。 5 ) 采用2 平面技术，可以 将整机复杂 信号处理功能制作在读出电路上，再与 探 测器芯片集成在一起，实现器件整机化。 6 )探 测元之间的中 心间距 ( 沟道) 受半导体 材料少数载流子横向扩散的限制， 不可能很小。 因 此， 在同等条件下其空间截止 频率特性不如扫描型的好， 即空间分辨 力特性不如扫 描型的 好. 采用微扫描机构，则可以 改善凝视f p a 的空间分辨力。 7 )f p a的 规格决定了 系统的视场 ( f o v ) ，当 不能满足系统要求时，可以 增大 f pa 的规格，也 可以 采用微扫描机构。 8 )同等规格的 f p a ，制造凝视型的难度比扫描型的大，故凝视型 f 以 的价格要 高得多.例如:用 2 88x 4 扫描型 f 队 ，可以得到7 68x5 7 6 像素的高画质热像， 采用 凝视型f p a的规格 应是7 6 8 x 5 7 6 ， 其 探测 元数量比2 88x 4 f r a 的多3 84倍。 用巧 00 元的 扫描型f 队 ， 可以 得到150 0 x l l 25 像素的高 清晰度热像。 而采用凝视型f pa， 其规格应是 1 5 00 xl l 2 5 ，后者探测元的数量比前者的多达 1 1 25 倍! 凝视型热成像由 于 不使用机械扫描器， 结构可以 简单， 尺寸 和重量可以 减小. 而 且另一个优点是改变帧频比较灵活， 可以使用较高的帧频， 如非制冷型的帧频也可以 达到1 50hz， 而制 冷凝视型就可以 更高， 这有助于收 集更多的 可用信号， 为 先进的 信 号处理 功能， 如自 动目 标识别、 导弹和炮弹 跟踪， 提供更多的 信息 量。 当 加入微扫描 后， 凝 视型的 空间分辨力也 有一定提高， 但是由 于凝视型焦平面的 填充系数很高， 所 以加上微扫描并不能改变热成像瞬时视场的大小。 2 .3扫描型焦平面红外探测器 扫描型f pa 的主要 特点: 1) 可以 用探测元比 较少的f 队 获 得像素 很多的 热像，降低了f 队 的制造 难度。 例如: 用2 88x 4 f p a 扫描后可以 获得像素达到7 68x 5 76 的 热像， 其图像 质量比 凝视 硕士论文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 型2 5 6 x 2 5 6 f pa 的要好得多. 2 ) 利用n系列f p a的t d i 功能， 提高 探测器的热灵敏度。 3) f p a的空间截止频率决定热像仪的空间截止频率，而探测元之间的中心间距 决定了f p a的空间 截止频率。 通 过错开排列， 可以 最大限 度地缩小线列、 n系列f pa 探测元的中心间距，因此，该类器件有更高的空间分辨力。 4 )因可将读出电路布置在线列、n 系列探测器芯片的两侧，采用侧面互连，所 以， 读出电路可以制作的更 大一 些， 增加其信号处理功能， 也便于多路输出， 提高工 作频率。 5) 需要光学机械扫描器 ( o ms ) 。 6 )不 容易改 变帧频。 对于扫描型热成像，就机械结构和信号处理来说，由于扫描型必须使用扫描器， 而且在焦平而外信号处理的内容比凝视型多， 所以扫描型的结构较凝视型复杂， 尺寸、 功耗 和重量都 较大。 并且当 需要提高图 像帧频时， 扫描型中 的扫描器难度增加， 同时 由于 信号在探测器上滞留 时间的减 小， 会使灵敏度下降。 另外机械扫描轴的精度不 如 凝视型。 但从光学像点、 m tf 性能、 空间 采样来说， 扫描型焦平面有着一定的优点。 从 探测器的排列图案 ( 如图 2. 3 . 1) 可以看出，扫描型的每个光敏元均被分隔开，其间 隔接近一个光敏元的尺寸( 凝视型探测器由于填充系数在90%左右， 因此间隔很小) ， 所以在光学像点较大的情况下， 也不会在相邻探测器上产生串音。 而且在水平方向上， 由于 在扫描成像过程中， 可提高采 样速率， 这相当于 提高了 对空间 ( 水平方向) 的 采 样率或提高了水平方向的奈奎斯特频率， 可等效于在凝视阵列的水平方向增加了微扫 描。 由 于上述两方面的 原因， 扫描型系 统在水平 方向 上的m tf 性能可以 较凝视型高， 从两者图像的对比也可以明显感觉到。 当 扫描型热成像在垂直方向再 加上微扫描后， 就增加了 图像在水平和垂直两个方 向 上的 分解能力， 提高了 对目 标的定 位能 力， 但是凝视型加上微扫描也可以 达到同 样 的效果，不过会影响图像的帧频。 o d dd dd dd ddd d口d ddo ddd 图2 3 . 1 扫描型探测元的 排列 硕士论文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 3 红 外成像系统驱动电 路的研究 3 .1 系统基本组成 3 .1 .1 红外热成像系统的构成 红外热成像系统由红外光学系统、 mf 队、电气系统和显示设备构成， 如图所示. i r f pa 作为 成像系统的 探测器件， 为成 像系统提供原始红外图 像信号: 而电 气系统是 成像系统的核心，它为琅f 队 提供电源和驱动信号，并且针对 i rf 队 的特点进行相 应的实时信号处理， 最后合成为标准的视频信号供显示设备显示。 对于i r f pa ， 实时 信号处 理的 主要内 容为非 均匀校正、 盲元替 代和自 动增益控制等le* 川 。 图3. 1 . 1红外热 成像系统的构成 一个完整的红外热成像过程为:目标发出的红外辐射经大气传输后到达热成像系 统，光学镜头把红外辐射会聚到红外焦平面阵列 ( i r f pa )上，i r 下 pa 对红外辐射产 生响应信号， 读出电路把响应信号输出到信号处理板上， 信号处理板对其进行一系列 信号处理，最后合成为标准视频信号送往监视器显示。 3 .1 .2驱动电路的组成 系统设计框图如下: 硕 士论 文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 图 3. 1 . 2.1系统设计框图 整个热成像系统的电气系统主要分为三个主要部分: 1 .前端驱动电路; 2 .中端信号处理; 3 .后端视频显示。 本人主要实现的是前端的读出 驱动电 路， 下面阐述驱 动电路的 原理和设计过程。 为了能使探测器正常工作，前端驱动电路提供以下一系列必要的驱动信号: 1 .产生探测器需要的直流偏置电压和时序脉冲信号; 2 .对 c mo s读出电路的输出信号 ( 原始信号)进行采集，送入后端处理; 3 .产生马达驱动信号 3 .2 系统驱动电路 3 . 2 .1 偏置电 压的形成 为了 制冷红 外焦平面阵 列正常工作，驱 动 uf队 中的c m o s 读出电 路， 保证探 测器热电 稳定，并且使u f p a具 有较大的 动态范围和较好的n e t d性能， 偏置电 压 电 路应当 具有结 构紧凑、 性能 稳定、 精度高、 保护措施严密等特点【 招 lj 。 电 路在正常工作条件下，需以 下几个直流 偏置电 压: 硕 士 论 文 扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 表 3 2.1探测器所需直流偏压 符号 类型 电压范围 ( v ) 典型值 ( v ) 精度 ( v ) 峰值电流 ( m a ) 最大噪 声 r 0 可调 0. 5 2 1 劲 . 1士0 . 0 0 5 1 1 0 0衅 v d d a固定5土 0.05 401. v v d o d 固定5印 .05 1 01 0口 v u 4 固定3 . 6士0 . 0 5 l 1。 。 ; v u c 可调 3 5 3 .6切 . 1 劲 .05 1 1 0 0卜 v v a 可调 0. 5一21 劲 . 1士0 . 0 5 1lmv g n d 固定地0 p v ( n d 固定地0 从上表中可以 看出，除了 电源和 地以 外，其余 偏压均要求设 计成可调。而u4 虽 然要求为固定 3. 6v ，但为了实际调试的需要将其设计成可调。由于这些偏压对探测 器的工作有重要影响，精度要求很高，故在本设计中利用 d/a为探测器提供偏压。 考虑到所需直 流偏压的精度，在 本设 计中 采用tl公司的t l v 5 6 30。 t l v 5 6 30 是 8 通道、12位低功耗的d a c ，具体特性如下: 1 .集成八通道电压输出数模转换器: 2 . 可编程转换时间 在高速模式下转换时间为1 畔 在低速模式下转换时间为3 哪; 3 .与 t ms 3 2 0 和 s p i 口兼容: 4 . 精度与温度单调相关; 5 . 低电 源功耗 在3 v低速模式下为1 8 m w 在 3 v高速模式下为 48mw; 6 .电 源关断 模式: 7 .内置偏压; 8 ， 菊花链方 式的 数据输出 本设计是 利用状态机的思想来 实现六路偏置电 压的 输出， 具体过程如下: 首 先引入了引 泊 仅 比 ，用来保存各 个状态。 在s ta tt 巧 = 0 时， 选通读信号d ， 即川 = ， r ， 准备读数据， s ta tu s 加 1 ， 转入下一 个 l 0 硕士论文 扫描型热像仪读出驭动和系统电源研究 状态。 在下个时钟沿到来时，自 己 检测自 己的 状态，发现5 加 由 肠 留 1 ，转入 下个状态; 在s ta tt 招 月 时， 读d a ta 到l a t c h 寄存器里， l at c h 二 ds lta ，记 = ，0 ， ，读完之后，又将 s ta tu s 加 1 ，进入下个状态; 在幼 的 此 = 2 时， 发送四 位地址， 发完之 前不改 变p al a t o ser ( 用来周而复始地读寄 存器re gs里的数据) 的状态。发完之后， 就 川 泊 5 加1 ， 进入下一个状态; 在s ta 血 招 月时， 发 送12位 数 据 ， 直 到 发 完 之 前 都 不 改 变p 歇 at o 滋 的 状态 ， 发 完 之后，成 a t us= 0 ，实现复位。 故p ar at o ser 一直处于。 一1 一 2 一 3 一 0 状态循 环。 串行时钟产生说明: 迁5 加 山眨户3then 迁cou n 忆r 1 3then ifed g e = ，0 ，th en di n ， l at c h ( counte r ) ; c lk o = ， 0 ， ; edg e= ， 1 ; e l 货 c lko 令 ， 1 ; edg e = ，0 ， ; c o u n te r = 幻 u n 抽 叶1 ; e o d i f; e l 劝 count e r = 0 ; 5 加 由 招 = 习 ; e n d i f; end i 砌奴 巧 = 3 中， 每段都 是在时 钟上升沿来的时 候执行的， 那 么可以 把edge看成是一 个二 状 态 的 状 态 标 志 . 当edse 为。 时 ， c 玫 。 输出 为。 : 当ed ge为1 时， cl ko输出 为 1 ， edge每次 切换自 己的 状态， 那么d ko 就输出一 系列的 波形， 这 样就形成了 一系列 串行时钟。 一 般来说， 接收方都是上 升沿触发， 那么 在实 现输出的 时候， 一定要在上升沿之 前把数据送出去， 这样就在 下降 沿送出 数据，刚 好c 挂 0 变高的时候， din 肯定在送数 据。 偏压部分原理图如下: 硕 士论 文 扫 描 型 热 像 仪读 出 驱 动 村 系 统 电 源 研 究 下 ov au 4u ca r o 一二 i j 3 厂二为洲一 气 i j 3 娜 一 1二 36一二为盯 图 3. 2.1偏压形成原理图 3 . 2 . 2 控制 信号和积分信号的产生 电路 可实 现以 下功能:电 路在低电 平时 全局复位、 抗光晕功能、 背景撒除 功能、 积分周期可调、 八档增益可调、随机像元剔除、双向t di 扫描功能、旁路测试和两种 增益自 动调节功能，并行和串行可控，需要外加控制信号。 当 使能端以r _ l oad-en 为高电 平1 时， 电 路用外接的 并行端口的 信号 来控制完成 增益调节、旁 路测试、扫描方向 等功能.当使能端 p a r _ l 以d-en 为 0时，电 路用 seral- data 端输入的串 行信号 来控制完成增益调节、旁路测试、 扫描方向、 随机像 元剔除等功能。 该读出电路有三种工作模式:旁路测试和两种增益自动调节、双向 t d i 扫描、 随机像元剔除。 (l ) 增益 调 节 控 制 叫 增益调节 可以 通过外接的p g a i no、 此a i n i 、 p g a i nz 三个外引 脚或通过串 行输入 信号中的s g a i no、 s gai ni、 s gai nz三个数据位来控 制，它们可以 进行8 档调节。 它 们和积分等效电容的关系见表 3 . 2. 2 . 1 . 表 3 念2 . 1 增益和积分等效电容的关系 gai nzgai nigain o 等效积分电 容 c 训 t 口f ) 电荷容量 q m ax 少c ) 增益比 0000 . 9 62 . 71 . 0 0010名42 . 3 31 . 2 0l00.7 2 2 . 0 5 1 . 3 5 0 l 1 0 . 61 . 7 1，6 l000 . 4 81 . 3 3 2 。 硕 士 论 文扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 图3 一 2 3.1 扫描电 机控制 信号 马达的控制信号主要由 f p g a 和d a c 7 03k u 产生。d a c 7 03k u 是b urr b mwn 公司 的16 位数模转换器，有电压输出和电 流输出 两种 模式， 线性误差达到 印.0 015 %。 工作过程如下: 马达控制摆镜进行空间扫描。 扫描电机和 帧起始信号以及主时钟同 步， 驱动信号 由驱动板输出。实现方案如下:驱动板 fpg a输出14位的数据信号， 经过 d a转换， 输出小s v的模拟信号，来驱动马达工作。框图如下: 图3. 2 . 3. 2马达系统 框图 fpg a逻辑产 生 14位的数字信号， 输入到14位的d a转换器， 经过转换后输出 一个三角波以控制电机的运转。 根据电 机控制信号要求， f p g a 端的 程序考虑如 下。 设计一个驱动模块， 用来 专 门 输出 该电 机控制信号。 该驱 动模块属于一个闭环 状态机， 包含两个状态: 正 程输出 和逆程输出。 在每个状态中，按递 增和递减方式输出14位的数字信号。 驱动模块的工作过程如下: 初始化是， 模块进入idle 空闲状态。 此时设置 好初 始状态， 等待触发信号输入开始工作;一旦触发 信号发生，模块进入正程状态， d a i a o u t141 寄存 器值每 次增固 定的值n ， 然后输出到d a c : 从开 始输出0 算 起， 16 m s 时 输出 最大值ox3 fff ， 此时 达到最大值， d a c 变换之后输出s v的 信号: 然后 进入逆程状态， 逆程状态每次固定减固 定值4n， 在逆程之后4 m s 时降为0 ， 然后再 硕士论文扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 进入正程状态.其框图如下: 图3 .2. 3. 3驱动 模块 实现框图 考虑其实现如下: fpg a采用20m h z 的晶 振， 我们根据这 个来设计正程、 逆程 的输出时间。考虑两个时间段，在 16 毫秒和4 毫秒的时间里将分别会输出 20m 申 0. 01卜320000个时钟以 及20m 申 0. 0 0 卜80 0 0()个时钟。 也就是说，在正程状态， 我 们要在320 0 00个时钟里面， 逐次 输出以 固定间隔增长的14位数字信号值， 这个值 提供给d a c以转换成对应的模拟信号幅值。考虑到一次变化周期为 ox4 0 0o ( ox000o 一 ox3ff f ) ， 然后输出14位数据，为了 方便设计使 用 16位数据输出， 每两个时钟输 出一 位，输出一个数需要32个晶 振时钟; 令每次自 增犯， 则共有ox4 0 0o/3 卜512 次 输出， 每次输出数据占32个时 钟， 3 加0001 51 2 = 6 2 5 个时钟也即使说，平均在6 25个 晶振时 钟里输出一次数据。则 在输出16位数据 之后， 需要空循环5 93个时 钟.实际 上是，每次输出 14位数据，然后等待 597个时钟再输出下一次的数据。这是正程输 出，逆程只要自减 3 2 *4= 128 ，共有 512 14 = 1 2 8 次输出，每次输出数据占32 个时钟， 那么8 0 0 0 0/ 12 8 巧2 5 个时钟， 和上面的 过程一样， 每次 输出14位数据， 然后等待5 97 个时 钟。 即可实现输出1 6 ms 的平滑线 性上升输出 和4 ins 的平滑下降输出。 这 个过程可以 简述如下，设 一次数据输出周期为c( 单位为晶 振个数) ，它包括 14位数据输出以及空等待时间。设数据自增步长为n，则在 3 2 0 000 个竞争时钟内， 有如下关系: 3 2 0 0 0 0 c 0 x 40 0 0 n ( 3 . 1 ) 可以 得出c 加=62 5 / 32。我 们这里 选择自 增步长为犯，则c 巧25 实现的 过程如下，为了 简单 起见， 用伪码描述 c 玫 叨u n t ，0; d a ta o u t 0 二 1 3 = 0 ; 硕 士 论 觉扫描型热像仪读出驱动和系统电源研究 s l at u s = i d l e ; o u tc lk=0 ; on s y s t e mc l o ck ifs ta tt 巧= i d l e一 如果在空闲状态 if trigger= l一触发驱 动开 始工作 s ta tt 比= f r o n t一 设置正向状态 else d o n o 面n g;一没有的 话什么事情也不做 ei s i f s 加由始，f ront ifc 肠。 u n t 2 8一在前28 个周期输出 14 位数据 if o u t c 正= ，0 ，一逐位 输出 数据 5 州a 1 0 u 印 u t 李 d a 往 旧 ut c业 co un t ; s e 约 al c l ock 夺 0 ， ; o u 枕 i k = 1 ; ei 纪 o u to 玫 = 0; cl k c o u d t 巴cl k c 0 u n t +1 e n di 几 i f c l k c o u n t =2 8 d a ts 旧 uto d 别 . 旧 ut+ 32; 一输出 完成 之后，自 增32 e n d i f; el s