声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电子学系统_赵慧洁

1、Vol. 21 No. 5May 2013第21卷第5期2013年5月光学精密工程Optics and Precision Engineering文章编号 1004-924X (2013)05-1291-06声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电子学系统赵慧洁，刘小康，张颖(北京航空航天大学精密光机电一体化技术教育部重点实验室.北京100191)摘要：考虑声光可调谐滤波(A()TF)成像光m仪的需求设计了它的CCD成像电子学系统。选用c2V公司的CCD芯片 CCD57-10作为图像传感器提出f DC/DC+LDO的梨构实现各偏證电尿；棊于现场可编程门阵列(FPGA)等器件产 生驱动时钟 AD9

2、826宪成CCD输出模拟信V到数字侑V的转换并通过USB及CameraLink接口与计算机通仃.设计 了 (CD保护电路.并优化了数模混介电路的印刷电路板(PCB)布局结构对X功能紙元的实际测试裘测：X偏置电压 纹波噪声峰峰值小于10 mV：AD转换精度达12 bit：系统能够止确成像.图像传输速率可达10 frame/s.图像信噪比优于 54 db系统总功耗不足5 W设计结果满足AOTF成像光谱仪对CCD成像电子学系统的要求.关键词：声光可训谐述波；成像光谱仪；CCI)躯动；现场可编程门阵列(FPGA):图像釆集 中图分类号:TP732；TN386. 5 文献标识码：Adoh 10. 378

3、8/OPE. 20132105. 1291CCI) imaging electrical system of AOTF imaging spectrometerZHAO Hubjic丄IU Xiao-kang* ,ZHANG Ying(Key Laboratory of Precision Optomechatr(mics Technology of the Ministry of Education Beihang University Beijing 10019 I China )* Corresponding author Enail: nantongxiaokang 126. coni

4、Abstract: In consideration of the requirement of Acousto Optics Tunable Filter(AOTF) imagers> a CCI) imaging electronic system was designed. The CCI) chip (、CI)57-1O from e2v company was chosen as the image sensor* and the I)C DC + I)()structure was advanced to generate each bias voltage Then a F

5、ield Programmable Gate Array(FPGA)was used to generate driving clock, the AD9826 was taken to convert the CCD output analog signal to a digital signal, and USB or CameraLink interface was adopted to communicate with a computer. Furthermore a CCD protect circuit was designed and the layout of Printed

6、 Circuit Boa rd ( PCB) of mixed signals was optimized The test results for functional units indicate that the system can offer the peak to peak ripple noise of bias voltage less than 10 mV and a AD convert precision of 12 l)it. Moreover the system can image correctly with a image transmit rate of 10

7、 framd s and the signal to noise ratio better than 54 c!B The system power consumption is less than 5 W. The design can meet the demands of AOTF imaging spectrometers for CCD imaging electronic systems.Key words： Acoustcroptic Tunable FilteringC AOTF); imaging spectrometer? CCD drivei Field Programm

8、able Gate Array(FPGA) ? image capture收稿日期：2012-ll-16；修订日期：2O12-ll-27.基金项目：国家自於科学墓金资助项n(61177008) 江学者和创新团队发展计划資助項0( No. IRTO7O5)© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期赵慧洁，等:声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电F学系统#各偏置电压，并且设计了保护电路,优化了数模混 合电路PCB布局结构。© 1994-2013

9、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期赵慧洁，等:声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电F学系统#© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期赵慧洁，等:声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电F学系统1295成像比诜仪是遥感探测的关键设备之一。利 用声光可调谐滤波器（Acousto-（）ptic Tunable FilterA（）TF）晶体

10、作为分光器件研制的成像光 谐仪具冇众多优点广但圧其衍射效率校低入射 光经过A（）TF晶体后能畐变得微弱。因此要求 其电荷耦合器件Charge Coupled Device.CCD） 成像系统貝冇较高的灵敏度在信号能帚微弱的 情况下仍然能够保持较奇的信噪比。CCI）作为成像光谱仪的核心器件之一 具有 响应波段宽、最子效率高、噪声低、动态范鬧宽及 分辨率高等优点。CCD正常工作时需要采用数 种电压且骊动时序复杂因此CCD成像电路设 计一直是成像光谱仪研制中的一项关键技术2】 而提高（'（'D成像系统的成像质鼠是（'（'D成像电 路设计的准点。通常情况下.CCD图像传

11、感器的焦平面温 度、偏置电压、驶动时钟信号质話、前置放大器的 噪声、信号采样及AD转换电路都会对成像质量 产生一定影响。国内外众多研究机构对以上的一 项或几项内容进行了研究I。在此研究基础上， 本文结合AOTF成像光谱仪的设计指标给出了 CCD成像系统电子学设计方案。研制的A（）TF 成像光谱仪对其CCD成像电子学分系统具有如 下的设计要求：成像系统光谱响应要宽于（）（） 950 nm有效像元总个数不少于512 pixel X 512 pixel；系统由单路直流电源供电功耗小于10 W ；具备连续采集图像功能.能够和汁算机之间进 行图像传输图像帧频N10 frame/s；系统信噪比 不低于50

12、0数字图像量化位数$12 bit.根据以上要求选川了 e2v公司的背照式 CCD芯片CCD57-1O. CCD57-1O的有效像元为 512 pixel X 512 pixel光谱响应宽达200 1 100 nm；且量子效率高，对微弱光信号有较好的 响应灵敏度。本文提出了采用直流转换（ Direct Cui- rent/ Direct Current .DC'/DC）4-低压雄线性稳压 器（Low Dropout Regulator.LDO）架构设计实现2 成像系统组成结构设计的CCI）成像电子学系统主要由4部分 组成:二次电源单元、C CI）耿动采集单元、图像传 输总元、数据接收处理

13、计算机。系统结构如图1 所示.图1 CCD成像电子学系统结构Fiji. 1 Structure of CCI) imaging electrical system二次电源产生（'（'【）芯片各册极偏置电压和 報动时钟偏置电压;CCD驱动采集单元产生CCD 驳动时钟并将CCI）输出信号进行处理和数模转 换。图像传输单元接收来自CCD驱动采集单元 的数字图像信号，经数据缓存后通过CameraLink 接I丨或USB接丨I发送至数据接收处理计算机进 行预处理、显示及存储。3 二次电源设计3. 1设计需求对CCD5710技术参数逬行了分析为了正 常骊动需要提供5种栅极偏置电压29、2!

14、、18、 9.5,3 V.3种骡动时钟偏置电压12J0J Vo在上述备电压等级屮各栅极偏置电压对 输出电流的需求较小在几毫安到几十毫安之 间。報动时钟偏置电压的电流需求町由式（1） 确定:(1)式中C为时钟借脚的等效电容UH为时钟信号的 高电平电压为时钟信号的低电平电压心为 上升时间。为了使骡动时钟信号在指定的上升 时间内达到高电平的幅值还必须提供相应大小 的驳动电流。由上式计算可知12 V电平所需的瞬态电流 最大为844.4 mA. 10 V和1 V电平电流需求较 小,均为几毫安。设计时需考虑一定余呈。3.2分配方案为了槌奇电源转换效率并较好地抑制噪声， 采用DC/TX' + LD(

15、)架构设计实现乞电压等级. 可同时发挥DC/DC效率高和I.DO噪声低的优 点叫若仅使用DC/DC.输出电压的纹波噪声 将高达几十甚至上百毫伏。若仅使用LDO.对于 电流絞大的大压差应用将产生很人的热功耗甚 至高达数十瓦。外部输入的24 V直流电源通过DC'/DC高 效率转化为4种中间电平。第二级转换采用 11)()将中间电平转换成冬前述所需电压等级。 这级需选用低噪声器件并合理设计输H:滤波电 路以抑制纹波噪声。二次电源分配方案如图2 所示。图2二次电源分配方案Fig. 2 Scheme of secondary power distribution3.3噪声测试利用24 V直流稳压

16、电源给二次电源板供电. 各电压等级所带负载使输出电流达到各自最人设 计工作电流的70%80%,输出电压噪声测试部 分结果如图3所示：20 mV/divJ0mV/di<a)30 V2 mV div(b)15 V2 mWdiv(c)IO V(d)24 V图3电压测试结果Eig, 3 Results of xroltage test从测试结果可以看出30 V和15 V电平纹 波较大且存在尖峰脉冲纹波噪声峰峰值分别约 为5& 8利108 mV。纹波採荡频率等于各口 DC/DC芯片的开关频率。经LDO稳压后,10、24 V电平纹波噪声峰峰值控制在5 mV以内。依次 测试直余乞偏世电压纹波噪

17、声均控制在10 mV内。二次电源空载电流约为30 mA发热功 耗不足1 Wo4 CCD驱动及数据采集电路设计CCD每个像元下收集的电荷在骊动时钟作 用下经输出放大器.以模拟电压的形式依次输出 至前置放人器及模数转换电路转换为数字图像信 号。4. 1驱动时序设计CCD57-1O内部是三相结构分析其牀动时 序要求正常T.作时需提供成像区巫査转移时钟 /、S；存储区垂直转移时钟脉冲S。、 SO、S® 水平转移时钟脉冲R4、R2、RO以 及戻位脉冲如“选用型号为EPIC3T100的现场可编程门阵 列(Field Programmable Gate Array.FPGA)产生 各路软动时钟。图

18、4和图5分别为垂曲转移和水 平转移仿真时序。通过计算可知，垂直转移时钟各相所需电流 大小约为422. 4 mA,驱动频率约为5 kHz。水平 转移时钟各相电流大小约为7.2 mA驱动频率图4垂廨时序仿詆结果所爲 4 Simulaiiofi results o( vertical transfer timing order图5水半转移时序仿真结果Kig. 5 Simulation mulu of honjoontal trnruifcr (inunx order约为3 MHzo选用EL7457芯片来驱动时钟信 号。为了将上升/下降时间控制在CCD57-10要 求的范闌内在EL7457的信号输出端

19、串联了限 流电阻來腔制蜂值输出电流。图6所示是骡动水 平读出时钟Ig的原理图经实际测试，各时钟信 号均能满足驶动需求。图6腹动水平渎出时仲R原理图Fig. 6 SrhomMif* of R rlriving hnriznntal rpdout dark4.2前蚩放大及AD转换电路设计为了提高CCD输出信号的骡动能力在 CCI）信号输出端接入射随器作为前垃放大器。 其电路原理如图7所示。其中CCD Signal为 CCD输出信号。图7 CCD输出信兮射随原理图Eig. 7 Schematic of emitter follower for CCD output signalCCD57-1O输出为

20、模拟电压信号其输出放 大器的典型响应值为6卩V/e 每个像元下收集 峰值电荷数的典型值为那么.CCD输出的 有效信号最大值为600 mV。同时要求输出数 字图像的绪化位数$12 bit采样速率能够使帧频 达到10 frame/so选用ADI公司16位量化12. 5 MSPS采样率的AD9826作为AD转换器。AI）转换原理图如图8所示。output信号经 过电容G后去掉直流分量进入VINR通道，并 被钳位至4 V。AD9826在小通道相关双采样 （Correlated Double Sampling.（T）S）模式下匸作。 采样及数据输出时钟由FPGA提供。经测试. AD 换时最人线性误是为1

21、5最低右效位（Least Significant Bil.LSB）.可知AD转换可保证前12 位准确.图8AD9826数模转换原理图Fig. 8 Sclxnwtic of anolog to digital converter for AI)98264.3保护电路设计由于CCI）是静电敏感器件.內部的M（ ）S管 很容易被外部高达数百上千伏的静电电压击穿， 以至损坏。为此有必要对其进行ESD防护设计。在CCD毎个需要保护的仔脚上分别反向并 联合适的瞬态抑制二极 Transient Voltage SuppressorTVS）作为防护二极管，使得在有静 电或电源电压发生异常的悄况下能够右效地抑

22、制过大迫压，将电压钳制在预定水平使CCD器 件不受损坏。4.4 PCB布局结构优化CCI）報动采集单元PCB电路板采用四层板 结构按照信号、地、电源、信号的顺序安排层叠结 构。分析可知若在地平面将模拟地和数字地分 割那么将留下一条横穿P（' B的无覆铜区域，使 得跨越这块区域的数宇和模拟佶号之间不具笛传 输线的优良性能会给系统引入校人的噪声。为 此进行了如下优化i殳计：（1）数字电路和模拟电路采用同一个电源系 统，地平面不加分割。保证地平而覆铜的完整性。（2）数字和模拟电路模块之间、务模拟电路功 能模块之间保持一定的距离数字信号线尽吊远 离与之无关的模拟电路，（3）岱号线都在顶层或底层

23、走线信号线不跨 越电源层的无覆铜区域，使得所冇信号都貝 备传 输线的优良性能。5 信号测试及成像实验各单元经测试均能够正常作后将（'（'【）芯 片插入插座并通电进行成像实验系统总工作电 流约为0.2 A.功耗不足5 We利用示波器观察 CCD的输岀信号，如图9所示.图9 CCD输出信莎Eig. 9 Output signal of (、I)在CCD芯片成像焦平面前方适当的位置安 装镜头调Vi光阑人小和焦距.使系统能够清晰成 像。图10所示为实验宇内场杲成像图像图像输 出帧频町达10 fpso利用差分图像法提取噪声. 分析得到成像系统的信噪比优f 54 dB,满足了 设计要求。图

24、10 CCD成像系统扌n摄图像Fig. 10 Image captured by CCD imaging system6 结论本文结合A（）TF成像光谱仪CCD成像电子 学系统的设计要求分析r CCD57-1O芯片的驱 动需求设汁实现了 CCD成像电了学系统。各功 能单元测试结果表明.各偏世电压的纹波噪声峰 峰值V10 mV；AD转换精度达12 bit；系统能够 正确输出CCI）信号并成像通过USB或Camer- aLink接口将图像传输至计算机.输出帧频可达 10 frame/s；图像信噪比优于54 dB系统总功耗不 足5W。本设计能够满足应用于A（）TF成像光谱 仪的需求。© 1

25、994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期赵慧洁，等:声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电F学系统#© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期赵慧洁，等:声光可调谐滤波成像光谱仪的CCD成像电F学系统1297参考文献：1 刘石神.卅比可训谐滤波器及其在戚像光谱仪上的 应用J.红外.2004(7),12-17.LIU SH S

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