1、Vol. 21 No. 5May 2013第21卷第5期2013年5月光學精密工程Optics and Precision Engineering文章編號 1004-924X (2013)05-1291-06聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電子學系統趙慧潔，劉小康，張穎(北京航空航天大學精密光機電一體化技術教育部重點實驗室.北京100191)摘要：考慮聲光可調諧濾波(A()TF)成像光m儀的需求設計了它的CCD成像電子學系統。選用c2V公司的CCD芯片 CCD57-10作為圖像傳感器提出f DC/DC+LDO的梨構實現各偏證電尿；棊于現場可編程門陣列(FPGA)等器件產 生驅動時鐘 AD9

2、826憲成CCD輸出模擬信V到數字侑V的轉換并通過USB及CameraLink接口與計算機通仃.設計 了 (CD保護電路.并優化了數模混介電路的印刷電路板(PCB)布局結構對X功能紙元的實際測試裘測：X偏置電壓 紋波噪聲峰峰值小于10 mV：AD轉換精度達12 bit：系統能夠止確成像.圖像傳輸速率可達10 frame/s.圖像信噪比優于 54 db系統總功耗不足5 W設計結果滿足AOTF成像光譜儀對CCD成像電子學系統的要求.關鍵詞：聲光可訓諧述波；成像光譜儀；CCI)軀動；現場可編程門陣列(FPGA):圖像釆集 中圖分類號:TP732；TN386. 5 文獻標識碼：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；修訂日期：2O12-ll-27.基金項目：國家自於科學墓金資助項n(61177008) 江學者和創新團隊發展計劃資助項0( No. IRTO7O5)© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期趙慧潔，等:聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電F學系統#各偏置電壓，并且設計了保護電路,優化了數模混 合電路PCB布局結構。© 1994-2013

9、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期趙慧潔，等:聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電F學系統#© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期趙慧潔，等:聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電F學系統1295成像比詵儀是遙感探測的關鍵設備之一。利 用聲光可調諧濾波器（Acousto-（）ptic Tunable FilterA（）TF）晶體

10、作為分光器件研制的成像光 諧儀具冇眾多優點廣但圧其衍射效率校低入射 光經過A（）TF晶體后能畐變得微弱。因此要求 其電荷耦合器件Charge Coupled Device.CCD） 成像系統貝冇較高的靈敏度在信號能帚微弱的 情況下仍然能夠保持較奇的信噪比。CCI）作為成像光譜儀的核心器件之一 具有 響應波段寬、最子效率高、噪聲低、動態范鬧寬及 分辨率高等優點。CCD正常工作時需要采用數 種電壓且驪動時序復雜因此CCD成像電路設 計一直是成像光譜儀研制中的一項關鍵技術2】 而提高（'（'D成像系統的成像質鼠是（'（'D成像電 路設計的準點。通常情況下.CCD圖像傳

11、感器的焦平面溫 度、偏置電壓、駛動時鐘信號質話、前置放大器的 噪聲、信號采樣及AD轉換電路都會對成像質量 產生一定影響。國內外眾多研究機構對以上的一 項或幾項內容進行了研究I。在此研究基礎上， 本文結合AOTF成像光譜儀的設計指標給出了 CCD成像系統電子學設計方案。研制的A（）TF 成像光譜儀對其CCD成像電子學分系統具有如 下的設計要求：成像系統光譜響應要寬于（）（） 950 nm有效像元總個數不少于512 pixel X 512 pixel；系統由單路直流電源供電功耗小于10 W ；具備連續采集圖像功能.能夠和汁算機之間進 行圖像傳輸圖像幀頻N10 frame/s；系統信噪比 不低于50

12、0數字圖像量化位數$12 bit.根據以上要求選川了 e2v公司的背照式 CCD芯片CCD57-1O. CCD57-1O的有效像元為 512 pixel X 512 pixel光譜響應寬達200 1 100 nm；且量子效率高，對微弱光信號有較好的 響應靈敏度。本文提出了采用直流轉換（ Direct Cui- rent/ Direct Current .DC'/DC）4-低壓雄線性穩壓 器（Low Dropout Regulator.LDO）架構設計實現2 成像系統組成結構設計的CCI）成像電子學系統主要由4部分 組成:二次電源單元、C CI）耿動采集單元、圖像傳 輸總元、數據接收處理

13、計算機。系統結構如圖1 所示.圖1 CCD成像電子學系統結構Fiji. 1 Structure of CCI) imaging electrical system二次電源產生（'（'【）芯片各冊極偏置電壓和 報動時鐘偏置電壓;CCD驅動采集單元產生CCD 駁動時鐘并將CCI）輸出信號進行處理和數模轉 換。圖像傳輸單元接收來自CCD驅動采集單元 的數字圖像信號，經數據緩存后通過CameraLink 接I丨或USB接丨I發送至數據接收處理計算機進 行預處理、顯示及存儲。3 二次電源設計3. 1設計需求對CCD5710技術參數逬行了分析為了正 常驪動需要提供5種柵極偏置電壓29、2!

14、、18、 9.5,3 V.3種騾動時鐘偏置電壓12J0J Vo在上述備電壓等級屮各柵極偏置電壓對 輸出電流的需求較小在幾毫安到幾十毫安之 間。報動時鐘偏置電壓的電流需求町由式（1） 確定:(1)式中C為時鐘借腳的等效電容UH為時鐘信號的 高電平電壓為時鐘信號的低電平電壓心為 上升時間。為了使騾動時鐘信號在指定的上升 時間內達到高電平的幅值還必須提供相應大小 的駁動電流。由上式計算可知12 V電平所需的瞬態電流 最大為844.4 mA. 10 V和1 V電平電流需求較 小,均為幾毫安。設計時需考慮一定余呈。3.2分配方案為了槌奇電源轉換效率并較好地抑制噪聲， 采用DC/TX' + LD(

15、)架構設計實現乞電壓等級. 可同時發揮DC/DC效率高和I.DO噪聲低的優 點叫若僅使用DC/DC.輸出電壓的紋波噪聲 將高達幾十甚至上百毫伏。若僅使用LDO.對于 電流絞大的大壓差應用將產生很人的熱功耗甚 至高達數十瓦。外部輸入的24 V直流電源通過DC'/DC高 效率轉化為4種中間電平。第二級轉換采用 11)()將中間電平轉換成冬前述所需電壓等級。 這級需選用低噪聲器件并合理設計輸H:濾波電 路以抑制紋波噪聲。二次電源分配方案如圖2 所示。圖2二次電源分配方案Fig. 2 Scheme of secondary power distribution3.3噪聲測試利用24 V直流穩壓

16、電源給二次電源板供電. 各電壓等級所帶負載使輸出電流達到各自最人設 計工作電流的70%80%,輸出電壓噪聲測試部 分結果如圖3所示：20 mV/divJ0mV/di<a)30 V2 mV div(b)15 V2 mWdiv(c)IO V(d)24 V圖3電壓測試結果Eig, 3 Results of xroltage test從測試結果可以看出30 V和15 V電平紋 波較大且存在尖峰脈沖紋波噪聲峰峰值分別約 為5& 8利108 mV。紋波採蕩頻率等于各口 DC/DC芯片的開關頻率。經LDO穩壓后,10、24 V電平紋波噪聲峰峰值控制在5 mV以內。依次 測試直余乞偏世電壓紋波噪

17、聲均控制在10 mV內。二次電源空載電流約為30 mA發熱功 耗不足1 Wo4 CCD驅動及數據采集電路設計CCD每個像元下收集的電荷在驪動時鐘作 用下經輸出放大器.以模擬電壓的形式依次輸出 至前置放人器及模數轉換電路轉換為數字圖像信 號。4. 1驅動時序設計CCD57-1O內部是三相結構分析其牀動時 序要求正常T.作時需提供成像區巫査轉移時鐘 /、S；存儲區垂直轉移時鐘脈沖S。、 SO、S® 水平轉移時鐘脈沖R4、R2、RO以 及戻位脈沖如“選用型號為EPIC3T100的現場可編程門陣 列(Field Programmable Gate Array.FPGA)產生 各路軟動時鐘。圖

18、4和圖5分別為垂曲轉移和水 平轉移仿真時序。通過計算可知，垂直轉移時鐘各相所需電流 大小約為422. 4 mA,驅動頻率約為5 kHz。水平 轉移時鐘各相電流大小約為7.2 mA驅動頻率圖4垂廨時序仿詆結果所爲 4 Simulaiiofi results o( vertical transfer timing order圖5水半轉移時序仿真結果Kig. 5 Simulation mulu of honjoontal trnruifcr (inunx order約為3 MHzo選用EL7457芯片來驅動時鐘信 號。為了將上升/下降時間控制在CCD57-10要 求的范闌內在EL7457的信號輸出端

19、串聯了限 流電阻來腔制蜂值輸出電流。圖6所示是騾動水 平讀出時鐘Ig的原理圖經實際測試，各時鐘信 號均能滿足駛動需求。圖6腹動水平瀆出時仲R原理圖Fig. 6 SrhomMif* of R rlriving hnriznntal rpdout dark4.2前蚩放大及AD轉換電路設計為了提高CCD輸出信號的騾動能力在 CCI）信號輸出端接入射隨器作為前垃放大器。 其電路原理如圖7所示。其中CCD Signal為 CCD輸出信號。圖7 CCD輸出信兮射隨原理圖Eig. 7 Schematic of emitter follower for CCD output signalCCD57-1O輸出為

20、模擬電壓信號其輸出放 大器的典型響應值為6卩V/e 每個像元下收集 峰值電荷數的典型值為那么.CCD輸出的 有效信號最大值為600 mV。同時要求輸出數 字圖像的緒化位數$12 bit采樣速率能夠使幀頻 達到10 frame/so選用ADI公司16位量化12. 5 MSPS采樣率的AD9826作為AD轉換器。AI）轉換原理圖如圖8所示。output信號經 過電容G后去掉直流分量進入VINR通道，并 被鉗位至4 V。AD9826在小通道相關雙采樣 （Correlated Double Sampling.（T）S）模式下匸作。 采樣及數據輸出時鐘由FPGA提供。經測試. AD 換時最人線性誤是為1

21、5最低右效位（Least Significant Bil.LSB）.可知AD轉換可保證前12 位準確.圖8AD9826數模轉換原理圖Fig. 8 Sclxnwtic of anolog to digital converter for AI)98264.3保護電路設計由于CCI）是靜電敏感器件.內部的M（ ）S管 很容易被外部高達數百上千伏的靜電電壓擊穿， 以至損壞。為此有必要對其進行ESD防護設計。在CCD毎個需要保護的仔腳上分別反向并 聯合適的瞬態抑制二極 Transient Voltage SuppressorTVS）作為防護二極管，使得在有靜 電或電源電壓發生異常的悄況下能夠右效地抑

22、制過大迫壓，將電壓鉗制在預定水平使CCD器 件不受損壞。4.4 PCB布局結構優化CCI）報動采集單元PCB電路板采用四層板 結構按照信號、地、電源、信號的順序安排層疊結 構。分析可知若在地平面將模擬地和數字地分 割那么將留下一條橫穿P（' B的無覆銅區域，使 得跨越這塊區域的數宇和模擬佶號之間不具笛傳 輸線的優良性能會給系統引入校人的噪聲。為 此進行了如下優化i殳計：（1）數字電路和模擬電路采用同一個電源系 統，地平面不加分割。保證地平而覆銅的完整性。（2）數字和模擬電路模塊之間、務模擬電路功 能模塊之間保持一定的距離數字信號線盡吊遠 離與之無關的模擬電路，（3）岱號線都在頂層或底層

23、走線信號線不跨 越電源層的無覆銅區域，使得所冇信號都貝 備傳 輸線的優良性能。5 信號測試及成像實驗各單元經測試均能夠正常作后將（'（'【）芯 片插入插座并通電進行成像實驗系統總工作電 流約為0.2 A.功耗不足5 We利用示波器觀察 CCD的輸岀信號，如圖9所示.圖9 CCD輸出信莎Eig. 9 Output signal of (、I)在CCD芯片成像焦平面前方適當的位置安 裝鏡頭調Vi光闌人小和焦距.使系統能夠清晰成 像。圖10所示為實驗宇內場杲成像圖像圖像輸 出幀頻町達10 fpso利用差分圖像法提取噪聲. 分析得到成像系統的信噪比優f 54 dB,滿足了 設計要求。圖

24、10 CCD成像系統扌n攝圖像Fig. 10 Image captured by CCD imaging system6 結論本文結合A（）TF成像光譜儀CCD成像電子 學系統的設計要求分析r CCD57-1O芯片的驅 動需求設汁實現了 CCD成像電了學系統。各功 能單元測試結果表明.各偏世電壓的紋波噪聲峰 峰值V10 mV；AD轉換精度達12 bit；系統能夠 正確輸出CCI）信號并成像通過USB或Camer- aLink接口將圖像傳輸至計算機.輸出幀頻可達 10 frame/s；圖像信噪比優于54 dB系統總功耗不 足5W。本設計能夠滿足應用于A（）TF成像光譜 儀的需求。© 1

25、994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期趙慧潔，等:聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電F學系統#© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期趙慧潔，等:聲光可調諧濾波成像光譜儀的CCD成像電F學系統1297參考文獻：1 劉石神.卅比可訓諧濾波器及其在戚像光譜儀上的 應用J.紅外.2004(7),12-17.LIU SH S

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