CN103259980B

CN103259980B - 一种tdi ccd输出信号预处理器

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Publication number: CN103259980B
Application number: CN201310193919.2A
Authority: CN
Inventors: 刘有军; 崔少飞; 于苒; 梁洪; 陆建荣
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: CN103259980A

Abstract

本发明属于信号处理领域，公开了一种TDI？CCD输出信号预处理器，将信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路和直流供电电路集成在一块电路板上，实现了TDI？CCD信号处理电路的集成化。本发明采用光耦隔离放大电路，解决了TDI？CCD与处理电路之间的阻抗匹配问题，消除了级间的共模干扰。本发明所述的TDI？CCD输出信号预处理器，操作简单，只需外接220V、50Hz交流电，便可将TDI？CCD的输出信号转换为仅包含像元信号幅值信息的信号，且对频率在1MHz～4MHz之间的TDI？CCD输出信号普遍适用。

Description

一种TDI CCD输出信号预处理器

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及一种信号预处理器，特别是一种TDICCD（TimeDelayIntegrationChargeCoupledDevices，时间延迟积分型电荷耦合器件）输出信号预处理器。

背景技术

TDICCD是一种新型的线阵光电传感器，它通过时间延迟积分的方法对同一目标多次曝光，增加对目标的光子能量收集。与CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器相比，TDICCD具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度，在低照度时通过时间延迟积分获得高质量的图像信息的优点，而且TDICCD具有色彩饱和度好，图像更锐利和质感更真实等优点，特别是在低照度环境下可获得高质量的图像信息，信噪比高。因此，TDICCD被广泛用于航天、医学、化工以及军事等诸多领域。

2000年，刘国媛等在《光子学》期刊上发表的“CDS（CorrelatedDoubleSampling，相关双采样）器件在TDI-CCD视频信号处理中的应用”中，对输出视频信号的特性进行了分析，提出了对于各种噪音的处理方法，详细介绍了应用CDS技术处理kTC复位噪声的方法。但现有处理电路只是实现了部分单一的去噪功能，而且现有TDICCD类型多样，输出信号频率不尽相同，对于处理要求也不一而足，对后续处理电路与前级电路的匹配性能要求较高。另外，信号处理过后的有效视图信号应用也不尽相同，例如，有效信号进行模数转换上位机图片显示的方法也各有不同，无法做到有效的连接和匹配。这些都使TDICCD信号处理电路很难实现集成化。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有操作简单、电路集成度高、应用范围广、对前级输出电路具有良好的匹配性等优点的TDICCD输出信号预处理器。

一种TDICCD输出信号预处理器，实现了多种信号处理功能的集成化，与传统处理器相比，既实现了信号的去噪功能，又添加了光耦隔离功能，使整体电路的匹配性能大大提高，消除了与前一级输出电路的电气干扰。该TDICCD输出信号预处理器包括：信号低通滤波电路，光耦隔离放大，复位噪声滤波，电位调节放大，二极管双向限幅，时序发生电路和直流供电电路。其连接关系为：信号低通滤波电路对TDICCD输出信号进行低通滤波和放大处理后，输入到光耦隔离放大电路，输出与上一级电气隔离的信号，并输入到复位噪声滤波电路，复位噪声滤波电路对该信号进行相关双采样处理，得到滤除复位噪声的信号，并送至电位调节放大电路，进行信号电位的调节和放大，然后输入给双向限幅电路进行信号电平的上下限幅。时序发生电路输出复位电平采样脉冲SHP（SamplingHoldingPulse）和信号电平采样脉冲SHD（SamplingHoldingDecline）至相关双采样电路；直流供电电路分别与信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路和时序发生电路相连，为它们提供所需的直流电压。

信号低通滤波电路是一级由运算放大器组成的低通滤波放大电路，用于对TDICCD输出信号进行预放大并滤除信号中的高频噪声。信号低通滤波电路主要由运算放大器AD817、输入电阻R2、反馈电阻R3和滤波电容C5组成。反馈电阻R3和滤波电容C5并联后跨接在运放输出端和同相输入端之间，共同影响滤器的截止频率。

光耦隔离放大电路用于对信号进行隔离放大，输出与上一级电气隔离的信号。主要由两个光耦芯片TLP521和两个运放芯片AD848组成。输入级AD848存在两种反馈，一种是通过电容C2-1形成并联负反馈；另一种是通过R2-1、两片TLP521和R2-3到第一个AD848的同相输入端形成的串联负反馈。采用光耦合器使电路具有良好的电气绝缘、信号隔离和抗干扰能力，解决了不同TDICCD与处理电路的阻抗匹配问题。同时，由于光耦合器的输入阻抗低，因而具有很强的共模抑制能力。当光电耦合器件直接用来传输模拟信号会导致信号失真，为此，本发明采用负反馈技术，将光电耦合器件串入反馈环路，使光耦器件的非线性失真得到明显抑制。本发明采用的两个光耦器件的性能完全相同，调节电位器R2-4，使R2-3=R2-4+R2-5，可使其光敏三极管的外围电路完全对称，使电路线性度达到0.1%，满足CCD信号传输的要求。

复位噪声滤除电路用于对信号进行相关双采样处理，得到滤除复位噪声的信号，提高视图信号的信噪比。包括一个CDS-1402芯片和两个电位器R1、R2等外围电路。CDS-1402芯片分别接收时序发生电路产生的参考电平采样信号SHP和信号电平采样信号SHD后，对U2信号进行采样和保持，得到分别携带TDICCD输出信号参考电平信息的信号High和信号电平信息的信号Low。芯片内部对经采样保持后的两路信号High和Low进行差运算，得到仅携带TDICCD输出信号中像元信号幅值信息的信号U3，调节电位器R1、R2可起到电压补偿的作用。本设计采用CDS芯片实现信号的相关双采样处理，加强了系统的稳定性与可靠性。

电位调节放大及双向限幅电路用于对信号进行电位调节、放大和双向幅度限幅保护。主要由集成运放芯片AD848、电位器Ro、Rf和两个限幅二极管2CK74组成。通过电位器Ro进行信号直流电位的调节，通过电位器Rf进行信号放大倍数的调节，输出有效的视频信号。当信号幅度过大时，两个限幅二极管对信号进行双向限幅，从而保护下一级电路。

时序发生电路用于产生相关双采样电路所需的参考电平采样脉冲SHP和信号电平采样脉冲SHD。包括晶振、拨码开关和CPLD器件。晶振为20MHz的有源晶振，为CPLD器件提供全局时钟；拨码开关为5位二进制输入十进制输出的拨码开关，为CPLD器件提供用于改变输出采样脉冲频率的数码信号，使TDICCD输出信号预处理器可用于频率范围为1MHz～4MHz的TDICCD输出信号的处理。

直流供电电路包括降压变压器、桥式整流滤波电路和线性稳压电路。220V交流电经过变压器降压和整流滤波转换为直流电，然后经过线性稳压电路为信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路供电。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的TDICCD输出信号预处理器，将低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路和直流供电电路集成在一块电路板上，实现了TDICCD信号处理电路的集成化。操作简单，只需外接220V、50Hz交流电，便可将TDICCD的输出信号转换为仅包含像元信号幅值信息的信号。

（2）光耦隔离放大电路的应用，解决了TDICCD与处理电路的阻抗匹配问题，消除了级间的共模干扰。另外，采用负反馈技术，将光电耦合器件串入反馈环路，使光耦器件的非线性失真得到明显抑制。

（3）时序发生电路通过调节拨码开关来产生不同频率的相关双采样电路所需的采样脉冲，使TDICCD输出信号预处理器可用于频率范围为1MHz～4MHz的TDICCD输出信号的处理。

附图说明

图1为TDICCD输出信号预处理器组成框图；

图2为信号低通滤波电路图；

图3为光耦隔离放大电路图；

图4为复位噪声滤波电路图；

图5为信号电位调节放大和双向限幅电路图；

图6为直流供电电路图；

图7为时序发生电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明所述的TDICCD输出信号预处理器的组成框图如图1所示，包括信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤波电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路和直流供电电路。其中，

信号低通滤波电路如图2所示，主要由运算放大器AD817、输入电阻R2、反馈电阻R3和滤波电容C5组成。TDICCD输出信号经输入电阻R2接AD817的2管脚。AD817的3管脚经电阻R4接地，反馈电阻R3和滤波电容C5并联后跨接在AD817的输出端6管脚和反相输入端2管脚之间。经滤波、放大后的信号U1由6管脚输出至下一级。

光耦隔离放大电路如图3所示，主要由两个光耦芯片TLP521和两个运放芯片AD848组成。主要由两个光耦芯片TLP521和两个运放芯片AD848组成。所述U1信号经电阻R2-2后接入运放Q1C的反相输入端，Q1C的同相输入端经电阻R2-3后接+5V电源，同时经光耦W1光敏三极管后接地。运放Q1C的输出端经电容C2-1后接其反相输入端，输出端同时经电阻R2-1后接光耦W2的发光二极管的正极性输入端。光耦W1的正极性输入端接光耦W2的负极性输入端，负极性输入端接地；光耦W2的输出端一端接地，另一端接入运放Q2C的同相输入端。运放Q2C的同相输入端经变阻器R2-4和电阻R2-5后接+5V电源，输出端与其反相输入端短接，输出信号U2至下一级。

复位噪声滤波电路如图4所示，主要由一片CDS-1402和两个电位器R1、R2组成；主要由一片CDS-1402和两个电位器R1、R2组成。所述信号U2分别接CDS-1402的3、4管脚；CDS-1402芯片的1管脚和9管脚分别接一个电位器R1、R2用于对输入电压进行补偿调节。CDS-1402的11、12管脚分别接时序发生电路的SHP和SHD信号，对所述信号U2进行采样、保持后得到分别携带TDICCD输出信号参考电平信息的信号High和信号电平信息的信号Low。CDS1402芯片的7、8管脚相连，6脚经电位器R3与8脚相连，使两路信号High和Low进行差运算，得到仅携带TDICCD输出信号中像元信号幅值信息的输出信号U3，由22脚输出至下一级。

信号电位调节放大和双向限幅电路连接关系如图5所示，主要由集成运放芯片AD848、电位器Ro、Rf和两个限幅二极管2CK74组成。所述信号U3经电阻R3-1后接入AD848的同相输入端。AD848同相输入端经电阻R3-3后接电位器Ro的中心抽头，Ro的其它两端然后接+12V，通过电位器Ro进行信号直流电位的调节。AD848的反相输入端经电阻R3-2后接地，其输出端经电位器Rf后接入同相输入端，通过电位器Rf进行信号放大倍数的调节。AD848的输出端经R3-4后接二极管D1的正极和二极管D2的负极，D1负极接+5V电压，D2的正极接-5V电压。二极管D1、D2和±5V电压实现上下限为±5V的双向限幅功能，输出仅包含像元信号幅值信息的信号。

时序发生电路如图7所示，主要包括有源晶振、拨码开关和CPLD器件。晶振为20MHz的有源晶振，为CPLD器件提供全局时钟，其3管脚的输出信号接CPLD器件的12管脚。拨码开关共5位，输出信号data[0]～data[4]分别接CPLD的15、16、17、18、20管脚，为CPLD器件提供用于改变输出采样脉冲频率的数码信号。CPLD经28、29、30、31管脚分别输出相关双采样电路中的参考电平采样信号SHP和信号电平采样信号SHD。

直流供电电路如图6所示，主要包括降压变压器、桥式整流滤波电路和线性稳压电路。220V、50Hz交流电经降压、整流后转换为直流电，然后经线性稳压管得到所需直流电压：信号低通滤波电路中AD817±5V供电；光电耦合隔离电路中的AD848±5V供电；复位噪声滤除电路中CDS-1402+5V供电，AD830±5V供电；电位调节放大电路中AD848±12V供电；时序发生电路中晶振和CPLD+5V供电。本实施例中，采用线性稳压管7812输出+12V电压，7912输出-12V电压，7805输出+5V电压，7905输出-5V电压。

Claims

1.一种TDICCD输出信号预处理器，包括信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路和直流供电电路；其特征在于，各电路的连接关系为：信号低通滤波电路对TDICCD输出信号进行低通滤波和放大处理后，输入到光耦隔离放大电路，输出与上一级电气隔离的信号，并输入到复位噪声滤波电路，复位噪声滤波电路对该信号进行相关双采样处理，得到滤除复位噪声的信号，并送至电位调节放大电路，进行信号电位的调节和放大，然后输入给双向限幅电路进行信号电平的上下限幅；时序发生电路输出复位电平采样脉冲SHP和信号电平采样脉冲SHD至相关双采样电路；直流供电电路分别与信号低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路和时序发生电路相连，为它们提供所需的直流电压；其中，

信号低通滤波电路，用于对TDICCD输出信号进行预放大并滤除信号中的高频噪声；主要由运算放大器AD817、输入电阻R2、反馈电阻R3和滤波电容C5组成；TDICCD输出信号经输入电阻R2接AD817的反相输入端2管脚，反馈电阻R3和滤波电容C5并联后跨接在AD817的输出端6管脚和反相输入端2管脚之间，它们共同影响滤波器的截止频率；经滤波、放大后的信号U1由6管脚输出至下一级；

光耦隔离放大电路，用于对所述信号U1进行隔离放大，输出与U1隔离的信号U2；主要由两个光耦芯片TLP521和两个运放芯片AD848组成；所述信号U1经电阻R2-2后接入运放Q1C的反相输入端，Q1C的同相输入端经电阻R2-3后接+5V电源，同时经光耦W1光敏三极管后接地；运放Q1C的输出端经电容C2-1后接其反相输入端，输出端同时经电阻R2-1后接光耦W2的发光二极管的正极性输入端；光耦W1的正极性输入端接光耦W2的负极性输入端，负极性输入端接地；光耦W2的输出端一端接地，另一端接入运放Q2C的同相输入端；运放Q2C的同相输入端经变阻器R2-4和电阻R2-5后接+5V电源，输出端与其反相输入端短接，输出信号U2至下一级；

复位噪声滤除电路，用于对所述信号U2进行相关双采样处理，得到滤除复位噪声的信号；主要由一片CDS-1402和两个电位器R1、R2组成；所述信号U2分别接CDS-1402的3、4管脚；CDS-1402芯片的1管脚和9管脚分别接一个电位器R1、R2用于对输入电压进行补偿调节；CDS-1402的11、12管脚分别接时序发生电路的SHP和SHD信号，对所述信号U2进行采样、保持后得到分别携带TDICCD输出信号参考电平信息的信号High和信号电平信息的信号Low；CDS1402芯片的7、8管脚相连，6脚经电位器R3与8脚相连，使两路信号High和Low进行差运算，得到仅携带TDICCD输出信号中像元信号幅值信息的输出信号U3，由22脚输出至下一级；

电位调节放大、双向限幅电路，用于对所述信号U3进行电位调节、放大和双向幅度限幅保护；主要由集成运放芯片AD848、电位器Ro、Rf和两个限幅二极管2CK74组成；所述信号U3经电阻R3-1后接入AD848的同相输入端；AD848同相输入端经电阻R3-3后接电位器Ro的中心抽头，Ro的其它两端然后接+12V，通过电位器Ro进行信号直流电位的调节；AD848的反相输入端经电阻R3-2后接地，其输出端经电位器Rf后接入同相输入端，通过电位器Rf进行信号放大倍数的调节；AD848的输出端经R3-4后接二极管D1的正极和二极管D2的负极，D1负极接+5V电压，D2的正极接-5V电压；二极管D1、D2和±5V电压实现上下限为±5V的双向限幅功能，输出仅包含像元信号幅值信息的信号；

时序发生电路，用于产生相关双采样电路所需的参考电平采样脉冲SHP和信号电平采样脉冲SHD；包括晶振、拨码开关和CPLD器件；晶振为20MHz的有源晶振，为CPLD器件提供全局时钟，其3管脚的输出信号接CPLD器件的12管脚；拨码开关共5位，输出信号data[0]～data[4]分别接CPLD的15、16、17、18、20管脚，为CPLD器件提供用于改变输出采样脉冲频率的数码信号；CPLD经28、29、30、31管脚分别输出相关双采样电路中的参考电平采样信号SHP和信号电平采样信号SHD；

直流供电电路包括降压变压器、桥式整流滤波电路和线性稳压电路；220V交流电经过变压器降压和整流滤波转换为直流电，然后经过线性稳压电路为各电路供电。

2.根据权利要求1所述的一种TDICCD输出信号预处理器，其特征在于，将低通滤波电路、光耦隔离放大电路、复位噪声滤除电路、电位调节放大及双向限幅电路、时序发生电路和直流供电电路集成在一块电路板上，实现了TDICCD信号处理电路的集成化；操作简单，只需外接220V、50Hz交流电，便可将TDICCD的输出信号转换为仅包含像元信号幅值信息的信号。

3.根据权利要求1所述的一种TDICCD输出信号预处理器，其特征在于，采用所述光耦隔离放大电路使电路具有良好的电气绝缘、信号隔离和抗干扰能力，解决了TDICCD与处理电路的阻抗匹配问题，消除了级间的共模干扰；采用负反馈技术，将光电耦合器件串入反馈环路，使光耦器件的非线性失真得到明显抑制。

4.根据权利要求1所述的一种TDICCD输出信号预处理器，其特征在于，所述时序发生电路通过调节拨码开关来产生不同频率的相关双采样电路所需的采样脉冲，使TDICCD输出信号预处理器可用于频率范围为1MHz～4MHz的TDICCD输出信号的处理。