CN103647910A - 一种可调模拟tdi ccd输出信号发生器 - Google Patents

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Abstract

一种可调模拟TDI CCD输出信号发生器，属于电子应用技术领域，其用于产生可调的TDI CCD输出信号的模拟信号，包括波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路以及供电电源电路。波形发生电路产生逻辑信号脉冲，经信号调幅电路可以调节信号的幅值，随后经信号叠加电路后初步得到TDI CCD输出信号的模拟信号，经滤波电路后最终得到幅值可调TDI CCD输出信号的模拟信号。波形发生电路、信号调幅电路、信号叠加电路和信号低通滤波电路的供电电压都由供电电源电路提供。本发明通过调节模拟信号的复位电平、信号电平来模拟出不同X射线计量照射下的TDI CCD输出信号的模拟信号，从而代替TDI CCD输出信号用于TDI CCD信号处理电路的开发中。

Description

一种可调模拟TDI CCD输出信号发生器
技术领域
本发明属于信号模拟输出领域，涉及一种信号发生器，特别是一种可调模拟TDI CCD（Time Delay Integration Charge Coupled Devices，时间延迟积分型电荷耦合器件）输出信号发生器。 
背景技术
TDI CCD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（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器相比，TDI CCD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TDI CCD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，TDI CCD被广泛用于航天、医学、化工以及军事等诸多领域。由于TDI CCD器件工艺复杂、价格昂贵，直接用于调试开发CCD信号处理电路时会有一定的风险，而且其驱动信号要求复杂，多电源供电，有可能在实验中因所开发电路不够完善或操作失误而造成不必要的损失。 
为了避免调试开发CCD信号处理电路时对传感器带来的风险，需要对TDI CCD器件的输出信号进行模拟。目前的方法有直接用硬件电路模拟出CCD器件的功能，并得到相应输出信号，但其存在的硬件电路调试复杂、开发周期长、输出信号周期不可调，信号无法变化无法模拟CCD有物体时信号产生的变化，波形不理想等缺陷。 
发明内容
针对现有的上述问题，本发明提供了一种具有操作简单、电路集成度高、波形稳定、符合CCD输出的信号、且模拟的得到的信号还可模拟CCD输出的信号动态变化等优点的模拟TDI CCD输出信号发生器。 
一种可调模拟TDI CCD输出信号发生器，实现了CCD输出信号的动态模拟，与传统CCD输出信号发生器相比，既实现了模拟产生CCD输出信号，又添加了模拟CCD信号的动态变化功能，使整体信号发生电路的作用大大提高，模拟出的输出信号动态变化对于测试CCD处理电路的调试效果更加明显。该可调模拟 TDI CCD输出信号发生器包括：波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路和直流供电电路。其连接关系为：波形发生电路首先产生合成输出信号的必备波形S1-1、S1-2，随后产生的波形接入到信号调幅电路，可以对S1-1和S1-2波形进行幅值的调节，使得其后叠加信号能够模拟CCD输出信号动态变化，经信号调幅电路后得到S2-1、S2-2输入信号叠加电路，信号叠加电路则对波心S2-1和S2-2进行线性叠加，这样就初步得到CCD输出信号的模拟信号S3，得到的S3输入到信号低通滤波电路进行滤波，最后就得到需要的有效、稳定的CCD输出信号的模拟信号。直流供电电路分别与波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路相连，为它们提供所需的直流电压。 
波形发生电路产生的两路波形S1-1和S1-2，方波信号S1-1用于模拟CCD输出信号的物体信号电平，产生脉冲信号S1-2用于模拟CCD输出信号的复位电平。波形发生电路主要由24MHZ有源晶振、可编程逻辑芯片EPM7128、开关组成。24MHZ有源晶振为编程芯片EPM7128提供外时钟，EPM7128则产生合成CCD输出信号的必备波形，开关控制晶振与芯片的结束与启动。 
信号调幅电路用于对波形S1-1和S1-2进行幅值调节，这样在应用本研究的模拟信号发生器进行CCD信号处理系统检测时，便可以模拟CCD输出信号的动态变化，使得CCD信号处理系统检测更加有效实用。信号调幅电路主要由两片运放芯片AD704和一个反相器74HC04组成。两个运放芯片AD704和若干电阻组成相同的两个反向比例运算电路，电位器R2-3跨接在集成运放AD704输出端和反向输入端，引入电压并联负反馈。同相输入端通过电阻R2-1接地，波形S1-1则通过电阻R2-2接入反向输入端。这样得到的输出输入关系为：输出U0=—(R2-3/R2-2)*S1-1。其中R2-1=R2-2=1K，电位器R2-3满量程为2K，这样调R2-3时就可以控制比例运算电路输出信号U0的幅值。另一部分反向比例运算电路原理相同；这样就得到了可调节的反向方波信号S1-1和脉冲信号S1-2，随后反向的输出信号接入到反相器74HC04进行反向处理，得到正向可调方波信号S2-1和脉冲信号S2-2，为后续的模拟CCD输出信号动态变化提供基础。 
信号叠加电路用于对上一级产生的可调方波信号S2-1和脉冲信号S2-2进行线性叠加，初步模拟CCD输出信号。主要由集成运放芯片AD704、5片电阻、两片电位器组成。信号叠加电路为信号的加减运算电路，上一级的可调方波与脉冲信 号分别接电阻R3-2、R3-3后接入到AD704的正向输入端，使得两个信号进行叠加。同时电位器Rf跨接在AD704输出端和反相输入端之间，引入电压并联负反馈，这样调节Rf即可调节模拟信号的压差。高电平5V接电位器R3-1后为Ui接入AD704的反向输入端，作为减法电路，用于调节模拟信号的电位。最后得到输出信号S3，输出信号的比例关系为：S3=Rf*(S2-1/R3-2+S2-2/R3-3-Ui/R)，这样Rf可以控制模拟信号的压差，真实CCD输出信号压差范围在1.5V左右，通过调节Rf即可达到。R3-1则可调节Ui用以调节模拟信号的电位。 
信号低通滤波电路是一级由运算放大器组成的低通滤波电路，用于对CCD模拟信号进行滤波处理，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AD744、输入电阻R4-1、反馈电阻R4-2和滤波电容C5组成。其中电阻R4-3=R4-2,使整个运放电路放大比例为1:1。反馈电阻R4-2和滤波电容C5并联后跨接在运放输出端和反相输入端之间，共同影响滤器的截止频率。 
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波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路供电。 
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TDI CCD模拟信号发生器，可更有效的模拟TDI CCD输出信号，模拟信号与真实CCD输出信号的相似度更高，用作CCD成像系统开发中信号处理电路的输入信号，进行电路的调试，并使得调试更加接近真实CCD输出信号，从而可缩短CCD成像系统的开发周期。 
（2）信号调幅电路使得最后得到的CCD模拟信号能够动态输出，可以完全模拟CCD输出信号在不同X射线计量下的信号电平的变化，这样在调试CCD信号处理系统时更加真实，增加调试的成功率。 
（3）同时可以通过调节电位器可以得到不同电位下和不同压差的TDI CCD模拟信号，与现有的模拟CCD输出信号的器件装置相比，具有结构简单、更加实用，调试时间短、应用更广泛等优点。 
附图说明
图1为TDI-CCD输出信号示意图 
图2为信号合成原理示意图 
图3为可调模拟TDI CCD输出信号发生器系统框图 
图4为波形发生电路原理图 
图5为信号调幅电路原理图 
图6为信号叠加电路原理图 
图7为信号低通滤波电路原理图 
图8为直流供电电路原理图 
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。 
本发明所述的可调模拟TDI CCD输出信号发生器的组成框图如图3所示，包括波形发生电路、信号调幅电路、信号叠加电路、信号低通滤波电路和直流供电电路。其中， 
波形发生电路如图4所示，主要由24MHZ有源晶振和可编程逻辑芯片EPM7128组成。晶振2管脚接地，4管脚通过开关接5V高电位，3管脚接入EPM7128的25管脚作为编程芯片的外时钟，EPM7128的VCC和GND分别接高和地，随后28管脚输出方波信号S1-1，29管脚输出脉冲信号S1-2，产生的S1-1和S1-2接入下一级。 
信号调幅电路如图5所示，主要由两片运算放大器AD704、四片电阻、两片电位器、一片反相器芯片74HC04组成。前一级的信号S1-1和S1-2分别通过电阻R2-2，R2-5接入两片AD704的反相输入端9管脚，两片AD704的正向输入端10管脚分别通过电阻R2-1，R2-4接地，两片电位器R2-3，R2-6则分别跨接在两片AD704的输出端8管脚和反向输入端9管脚作为负反馈调节输出信号幅值，两片AD704的输出端8管脚则分别接入到反相器74HC74的3管脚和11管脚，其74HC74的4管脚和12管脚则输出幅值可调的方波和脉冲信号S2-1和S2-2作为下一级的输入。 
信号叠加电路如图6所示，主要由运算放大器AD704、四片电阻、两片电位器组成。前一级的S2-1通过电阻R3-2接AD704的正向输入端10管脚，S2-2通过电阻R3-3接AD704的正向输入端10管脚，AD704的正向输入端10管脚则通过电阻R3-6后接地，电位器R3-1接5V电源后通过并联的电阻R3-4和R3-5后接入AD704的反向输入端9管脚可以调节模拟信号的电位，电位器Rf跨接在AD704的输出端8管脚和反向输入端9管脚作为运放电路的负反馈用以调节模拟信号的 压差，AD704的输出端8管脚则为初步得到的CCD输出信号的模拟信号S3，S3作为下一级输入。 
信号低通滤波电路如图7所示，主要由运算放大器AD744、输入电阻R4-1、反馈电阻R4-2和滤波电容C5组成。信号S3经输入电阻R4-1接AD44的2管脚。AD744的3管脚经电阻R4-3接地，反馈电阻R4-2和滤波电容C5并联后跨接在AD744的输出端6管脚和反相输入端2管脚之间。经滤波后的信号OUTPUT则是最终得到的动态可调的CCD输出信号的模拟信号。 
直流供电电路如图8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交流电经过降压、整流后转换为直流电，然后经线性稳压管稳压得到所需直流电压：波形发生电路中有源晶振+5V供电，EPM7128+5V供电；信号调幅电路中的AD704±5V供电；信号叠加电路中AD704±5V供电；信号低通滤波电路中AD744±5V供电。本实施例中，采用线性稳压管7805输出+5V电压，7905输出-5V电压。 

Claims (5)

1.一种可调模拟TDI CCD输出信号发生器，包括波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路以及供电电源电路，所述的波形发生电路包括晶振、可编程逻辑器件EPM7128、开关；所述的可编程逻辑器件EPM7128共产生两路信号：方波信号S1-1，脉冲信号S1-2；连接关系为：由晶振产生的脉冲信号作为可编程逻辑器件EPM7128的输入时钟，由开关控制晶振和可编程逻辑器件EPM7128的启动；可编程逻辑器件EPM7128产生的方波信号S1-1以及脉冲信号S1-2经信号调幅电路后送入信号叠加电路，经信号叠加电路后初步得到TDI CCD的模拟信号，然后送入信号低通滤波电路，最终输出TDI CCD的模拟信号；波形发生电路、信号调幅电路、信号叠加电路和滤波电路所需电压都由供电电源电路提供；其中，
波形发生电路产生的两路波形S1-1和S1-2，方波信号S1-1用于模拟CCD输出信号的物体信号电平，产生脉冲信号S1-2用于模拟CCD输出信号的复位电平；波形发生电路主要由24MHZ有源晶振、可编程逻辑芯片EPM7128、开关组成；24MHZ有源晶振为编程芯片EPM7128提供外时钟，EPM7128则产生合成CCD输出信号的必备波形，开关控制晶振与芯片的结束与启动；
信号调幅电路用于对波形S1-1和S1-2进行幅值调节，这样在应用本研究的模拟信号发生器进行CCD信号处理系统检测时，便可以模拟CCD输出信号的动态变化，使得CCD信号处理系统检测更加有效实用；信号调幅电路主要由两片运放芯片AD704和一个反相器74HC04组成；两个运放芯片AD704和若干电阻组成相同的两个反向比例运算电路，电位器R2-3跨接在集成运放AD704输出端和反向输入端，引入电压并联负反馈；同相输入端通过电阻R2-1接地，波形S1-1则通过电阻R2-2接入反向输入端；这样得到的输出输入关系为：输出U0=—(R2-3/R2-2)*S1-1；其中R2-1=R2-2=1K，电位器R2-3满量程为2K，这样调R2-3时就可以控制比例运算电路输出信号U0的幅值；另一部分反向比例运算电路原理相同；这样就得到了可调节的反向方波信号S1-1和脉冲信号S1-2，随后反向的输出信号接入到反相器74HC04进行反向处理，得到正向可调方波信号S2-1和脉冲信号S2-2，为后续的模拟CCD输出信号动态变化提供基础；
信号叠加电路用于对上一级产生的可调方波信号S2-1和脉冲信号S2-2进行线性叠加，初步模拟CCD输出信号；主要由集成运放芯片AD704、5片电阻、两片电位器组成；信号叠加电路为信号的加减运算电路，上一级的可调方波与脉冲信号分别接电阻R3-2、R3-3后接入到AD704的正向输入端，使得两个信号进行叠加；同时电位器Rf跨接在AD704输出端和反相输入端之间，引入电压并联负反馈，这样调节Rf即可调节模拟信号的压差；高电平5V接电位器R3-1后为Ui接入AD704的反向输入端，作为减法电路，用于调节模拟信号的电位；最后得到输出信号S3，输出信号的比例关系为：S3=Rf*(S2-1/R3-2+S2-2/R3-3-Ui/R)，这样Rf可以控制模拟信号的压差，真实CCD输出信号压差范围在1.5V左右，通过调节Rf即可达到；R3-1则可调节Ui用以调节模拟信号的电位；
信号低通滤波电路是一级由运算放大器组成的低通滤波电路，用于对CCD模拟信号进行滤波处理，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AD744、输入电阻R4-1、反馈电阻R4-2和滤波电容C5组成；其中电阻R4-3=R4-2,使整个运放电路放大比例为1:1；反馈电阻R4-2和滤波电容C5并联后跨接在运放输出端和反相输入端之间，共同影响滤器的截止频率；
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波形发生电路，信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路供电。
2.如权利要求1所述的可调模拟TDI CCD输出信号发生器，其特征在于：通过可编程逻辑器件EPM7128产生相关方波信号和脉冲信号，再通过信号调幅电路，信号叠加电路，信号低通滤波电路等产生模拟信号，可有效的模拟TDI CCD输出信号，模拟信号与真实CCD输出信号的相似度高，用作CCD成像系统开发中信号处理电路的输入信号，进行电路的调试，并使得调试更加接近真实CCD输出信号，从而可缩短CCD成像系统的开发周期。
3.如权利要求1所述的可调模拟TDI CCD输出信号发生器，其特征在于：信号调幅电路包括运算放大器和反相器；其连接关系为EPM7128产生的方波信号S1-1以及脉冲信号S1-2分别经过方向比例运算电路经过信号的调幅处理，其后得到的信号进入反相器反向处理输出，这样就实现了CCD输出信号的动态模拟，即实现了CCD输出信号中复位电平与信号电平差值的可调。
4.如权利要求1所述的TDI CCD模拟信号发生器，其特征在于：所述的信号叠加电路由运算放大器和电位器组成信号的加减运算电路；动态可调的方波信号和脉冲信号分别通过电阻接入运算放大器的同相输入端，反相输入端则接电位器后接入5V电源，这样通过调节电位器便可调节模拟信号的电位，同时引入电位器跨接在运算放大器输出端与方向输入端之间，用以调节模拟信号的压差，实现对不同类型CCD输出信号的模拟。
5.如权利要求1所述的可调模拟TDI CCD输出信号发生器，其特征在于：滤波电路包括运算放大器；其连接关系为信号叠加电路的输出叠加信号输入运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端经反馈电路后输入运算放大器的正相输入端。
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