CN104394333A - 南极望远镜中ccd驱动的控制系统 - Google Patents
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Abstract
南极望远镜中CCD驱动的控制系统，由FPGA和集成IC结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，特征是FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。优化方案时序脉冲产生电路FPGA通过IIC总线配置SAA8103为CCD芯片提供脉冲信号。本发明弥补了现有技术不能适用于各款同型号CCD驱动的不足；本发明的南极天文望远镜KDUST的CCD驱动控制系统，能够为南极望远镜的CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。当系统采用不同型号的CCD而要求产生不同的时序时,只需重新编写配置文件写入FPGA,不必对硬件进行重新设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体涉及一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统。
背景技术
20世纪90年代以来，随着遥感成像技术和计算机技术的高速发展,基于面阵CCD或线阵CCD的数字成像技术日渐成熟，推动了摄影测量相机由传统的胶片记录方式跨入到数字记录方式，逐渐实现了遥感测绘流程的全数字化。数字摄影的发展主要随CCD技术的发展而进步：可以分为线阵CCD相机和面阵CCD相机两个阶段。面阵CCD相机和线阵CCD相机相比，各有特点。面阵相机几何性能好，对平台稳定度要求低，应用处理便捷，但实现大的面阵CCD像元规模技术难度大，限制了高分辨率对地观测应用。线阵相机技术相对成熟，已在星载系统得到广泛应用，易于实现宽覆盖和较高分辨率；但对平台要求高，需要高精度的测姿定位设备支持，数据后处理较为复杂。但是，当前国内市场上销售的CCD产品大多数是从日本、加拿大、美国进口的，国内尚无成熟的大面阵CCD产品。国外的大面阵CCD不仅价格昂贵、用途单一，而且在外部触发、曝光时间调节的灵活性方面存在不足。因此，剖析国外CCD产品的关键技术，突破CCD产品的技术难点，开发具有自主知识产权的高性价比的国产化产品，成为众多研究人员的努力目标。南极是整个地球上最佳的天文观测台址，它有99%是晴天，冬季全是黑夜，没有太阳光、尘埃、水气干扰等优点。南极望远镜KDUST的CCD驱动研究对我国以后建设南极天文台有很大的帮助。
目前大型望远镜CCD采用的驱动控制系统都是根据各自需求单独研发的。当系统采用不同型号的CCD 而要求产生不同的时序时, 不仅需要重新编写配置文件，而且需要对硬件进行重新设计。现有技术中尚未出现适用于各款同型号CCD的驱动控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统，该系统要解决的技术问题是：研究南极望远镜KDUST（南极暗宇宙巡天望远镜）的CCD驱动控制系统，该系统能够为南极望远镜的CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。当系统采用不同型号的CCD 而要求产生不同的时序时, 只需重新编写配置文件写入FPGA, 而不必对硬件进行重新设计。
完成上述发明任务的技术方案是：一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统，该系统由FPGA（现场可编程逻辑门阵列）和集成IC（集成电路）结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，其特征在于：所述的FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。
工作时序从功能上可以分为帧转移时序(Frame timing)，行转移时序(Line timing)，像素水平读出时序(Pixel timing)。帧转移时序指CCD将一帧图像转移输出的时序，行转移时序指一行像素在时钟的驱动下完成从存储区到水平移位寄存器转移和逐位从水平移位寄存器读出的时序，像素转移时序指在一行像素在C时钟驱动下从水平移位寄存器中逐位水平读出的时序。
CCD时序信号是一组周期性的、关系比较复杂的脉冲信号, 它影响CCD器件的电荷转移效率、信噪比等参数，因此精确的驱动时序是CCD器件正常工作的保证。由于CCD种类很多，不同生产商CCD器件的驱动时序往往是不同的，CCD时序信号产生的方法主要有直接数字电路驱动法、EPROM驱动法、微处理器驱动法、可编程逻辑器件驱动法和专用集成芯片驱动法。
早期几乎都使用数字逻辑电路来产生时序信号，为满足时序设计要求，计数器使用同步计数器，反相的两相时钟应由同一个触发器的正反两个输出端同时输出；组合逻辑设计时应该避免逻辑竞争；为产生各时序信号，计数主时钟应该是像素时钟的整数倍。此方法虽然成本低廉、设计简单，但体积较大，电路集成度较低，逻辑设计复杂，偏重于硬件的实现，并且器件延时较大，电路调试繁杂，灵活性较差。
现在普遍使用的是单纯的使用普通数字芯片实现驱动控制电路，或者直接用可编程逻辑器件生成驱动脉冲，再另加电压驱动芯片和配套电路，造成CCD外围电路复杂，不同大型望远镜间的可移植性较差。本发明的目的是在南极望远镜CCD驱动控制系统的基础上，提供一种结合集成电路和FPGA的控制方案，简化电路的同时实现在不同望远镜CCD间的较好的可移植性。
驱动控制电路包含了读出CCD的所有模拟电路，这其中包含偏压产生器，时钟驱动电路，前置放大器，CDS（相关双采样）电路以及模数转换器。
CCD成像器件是CCD成像系统的核心器件，其性能在很大程度上决定了CCD成像系统的性能，而CCD探测器是“被动”器件，其需要驱动电路提供模拟、数字信号才能正常工作，因此驱动电路性能的优劣又在很大程度上决定了CCD性能能否充分发挥。驱动电路技术便成为CCD成像系统中的一个关键技术。模拟电压是CCD正常工作必不可少的信号，而且CCD的电荷转移效率对模拟电压敏感，因此高性能驱动电路至少需要具备低噪声的模拟电压。CCD阵列读出电路中数字驱动时序对电荷的转移效率、信号信噪比影响较大，而数字信号同样由外部驱动电路提供，因此提供高精度数字信号也是高性能驱动电路的一个重要内容。
驱动由驱动板和驱动程序两部分组成。驱动控制电路以FPGA结合本发明提供的电路作为时序发生器，FPGA 以其规模大、系统可编程、速度快、可靠性高、实现硬件的软件化设计等优势成为数字系统设计的主流, 非常适合CCD 时序电路的设计。结合VHDL HDL（硬件） 语言进行驱动电路设计, 对频率和时序要求都很高的驱动控制电路来说, 具有高集成度、高可靠性、高速度、开发周期短和调试灵活方便等优点。CCD驱动电平范围较大，电平复杂，垂直驱动时钟有三电平变化，要找到合适的驱动芯片，满足电平变化的要求，水平驱动要求工作速度快，上升沿和下降沿时间短，驱动能力强，并且满足负电平输出的要求。用FPGA配合本发明提供的集成电路作为时序发生器，编写CCD驱动时序，CCD所需要的偏置电压也有驱动板产生，使用LDO（低压差线性稳压芯片）电源芯片，降低噪声，尽量避免数字电源芯片和模拟电源芯片之间的干扰。CCD偏置电压有上电时序，可以通过FPGA控制上电先后。
驱动电路将被安装在望远镜的主焦点处，此处空间被限制，来自电子设备的热量应保持很低以避免空气动荡影响。只要其他需求得到满足，驱动电路能利用现有商业化的分离器件设计达到最小化，最低功耗。
在CCD面阵上加上合适的偏置电压以及驱动时序后，便可以通过CCD的模拟视频管输出脚读出模拟视频信号，该信号叠加在直流电平上，需经过耦合电容读出有效的视频信号。除此之外在还需在AD转换之前对视频信号进行CDS（相关双采样）采样，自动增益控制，暗电平钳位等处理。经过上述处理步骤之后可进行模数转换，模数转换的位数越高，可识别的图像越精细。通常采用14位的模数转换芯片（如AD9945）。
CCD和驱动电路板之间由一块易弯曲的PCB板连接，这块PCB板的镀铜痕迹足够的窄，能够保证驱动电路板与CCD之间的热隔离。驱动电路板之间的所有信号都由LVDS（低压差分信号）相连接。只有数字信号在真空环境和外部大气中传输。它有利于模拟电路性能的可靠性，这意味着每个模拟电路都不会被前端电路板外部的电路影响。偏压发生器和时钟驱动器被安装在CCD的每一条电路上，同时信号处理电路也被安装在CCD的每一个输出端。
本发明的进一步改进，有以下优化方案：通过控制垂直，水平这两种信号使CCD 实现将带有图像信息的电荷从成像区传输至存储区，再由存储区转移到水平输出寄存器。
SSC 信号是系统内部的基准时钟信号，用于校准整个CCD 的时序，起控制CCD 成像区电荷转移到水平输出寄存器的作用，即垂直转移，还能控制水平转移，即将已转移至水平输出寄存器的电荷输出，并使二者相互交替配合，协调进行。CR( ChargeReset) 信号为CCD 成像区电荷复位信号，其作用即在光积分时期前将CCD 成像区内的残余电荷清除，相当于电子快门信号。
一帧图像的传输是在时钟信号A/B和时钟信号C的先后交替驱动下从CCD芯片的输出放大器输出后而完成帧转移的。
通过外接晶振使得输出频率为40MHZ。CCD的高频率的输出信号，比如C时钟，CDS脉冲，和ADC时钟由SAA8103内部的延迟锁相电路产生的，可以定义输出信号的相位为每个时钟周期的第1/24。通过操作主时钟脉冲发生器的频率为20MHZ，在一个高频的时钟周期里规定两个20MHZ的时钟周期，这样可以产生40MHZ的输出信号，它的相位可以定义为40MHZ时钟周期的1/12。
可以通过IIC或者SNERT总线来控制这些脉冲。脉冲发生器从IIC或SNERT接受地址和数据，解码后输入内部逻辑电路，还可以解码后输入给TDA9991的串行接口。
垂直驱动芯片TDA9991连接了脉冲发生器（PPG）和CCD图像传感器，并且可以最大程度减少集成各种功能的组件数量。这片芯片包含了8个垂直行驱动器，1个负责重置电荷的快门驱动器，1个通用的可编程的直流-直流电源转换器，1个不可编程的直流-直流转换器和电压调节器，供应FT CCD传感器所需要的低噪声电压。芯片通过一个三线串行总线来编程。通用的可编程的DC-DC电源模块可以产生两种正电压(CAPNS,CAPH)。电压转换器转换输出电压CAPNS和CAPH为低噪声输出电压（VNS，VSFD,VH,VSH）。垂直行驱动器在内部信号DC_OK作用下，保证DC-DC转换器输出的电压和电压调节器输出的电压在需要的水平上。当VH，CAPNS,VNS中任何一个降低到低于需要水平的80%时，DC_OK信号置低，一个开始信号（DC_OK的逆信号）发信号使装置开启外部可用。IXDI404（场效应管驱动器）驱动了成像区和存储区的栅极，保证成像区的信号可以在低电平-5V和地之间进行切换，存储区的驱动延迟和成像区的传播延迟相同。
垂直行转移控制时序设计
电荷包在成像区和存储区之间的转移是通过控制栅极A1～A4和B1～B4的电压完成的。在积分期间，A3/A4是高电平，A1/A2是低电平。帧转移开始时，成像区栅极A1/A2是低电平，A3/A4是高电平。在存储部分栅极B1/B2是低电平，B3/B4是高电平。首先A1/B1设置成高电平，然后A3/B3设置成低电平，A2/B2设置成高电平，A4/B4设置成低电平，A3/B3设置成高电平，A1/B1设置成低电平，A4/B4设置成高电平，A2/B2设置成低电平然后循环。电荷包移动到了下一行。帧转移时A脉冲和B脉冲的时钟保持一致，要符合严格的交叠原理，这样就保证了图像完整的转移到存储区。A,B时钟信号的占空比为5:8,5个时间单位为高电平，3个时间单位为低电平。脉冲上升沿到沿的延迟是2个时间单位或者90°。A时钟信号的高电平有两个，垂直行转移工作状态时保持在12V，而光积分时保持在11V高电平状态。这两种电平状态的转换可以通过TDA9991芯片中内置的电平控制单元来完成。
水平像素转移控制时序设计
水平传输的传输机制也和图象区到存储区的转移机制相同。不同之处在于输出寄存器的操作是作为一个3相寄存器，通过以一定的顺序改变栅极电压的变化来迫使电荷移动。C脉冲水平传输的占空比为3:6（50%），3个时间单位的脉冲为高电平，剩下3个时间单位为低电平。相邻脉冲的延迟为2个时间单位或者120°。在行消隐时期，栅极C1，C2设置成高电平，栅极C3设置成低电平。当行转移开始后，水平寄存器在栅极C1，C2作用下接受电荷包。栅极C3作为一个阻止回流的栅极。RG( Reset Gate)信号是通过复位管( Reset FET)对输出放大器的浮置扩散电容FD进行复位的，复位后FD 才能接受下个电荷包。电荷包经输出放大器转换和放大后，以电压形式从CCD 输出。
所述的时序脉冲产生电路是FPGA通过IIC总线配置SAA8103为CCD芯片提供脉冲信号。
优点是当系统采用不同型号的CCD 而要求产生不同的时序时, 只需重新编写配置文件写入FPGA，而不必对硬件进行重新设计。
所述的水平驱动电路由集成IC--SAA8103输出水平驱动脉冲电平，输入到74ACT04反相器中，74ACT04加上相应的供电电压，使输出的水平时钟的幅度满足CCD的驱动要求。
所述的垂直驱动电路当电荷复位脉冲CR输入到集成IC--TDA9991后，,经过内部快门驱动后，输出的脉冲为CR-NS，它将与VNS耦合作为CCD的电荷复位输入。接SAA8103的垂直驱动时钟的输入，输入为TTL电平,经过TDA9991内部的驱动器的驱动，可以驱动到所需电平。
所述的偏置电压电路由集成IC--TDA9991的直流电压VSFD（加到CCD的N型基底上的电压）分压而成，相较于传统的产生偏置电压的方法简单而安全。
本发明弥补了现有技术的天文望远镜CCD驱动控制系统不能适用于各款同型号CCD驱动的不足；本发明的南极暗宇宙巡天天文望远镜KDUST的CCD驱动控制系统，能够为望远镜的CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。当系统采用不同型号的CCD 而要求产生不同的时序时, 只需重新编写配置文件写入FPGA, 而不必对硬件进行重新设计。
附图说明
图1为本发明的驱动系统模块图；
图2为本发明的时序脉冲产生电路图；
图3为本发明的水平驱动电路；
图4为本发明的垂直驱动电路；
图5为本发明的偏置电压电路；
图6为本发明中FPGA硬件语言编程的流程图。
具体实施方式
实施例1，一种南极望远镜中CCD驱动控制系统，参照图1-图5。CCD是黑白扫描帧转移型面阵图像传感器，本发明是设计该CCD的驱动控制系统，要求能为CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。该驱动系统是FPGA和IC芯片电路组成，主要由以下部分组成。
1．FPGA控制器：
本系统采用可编程逻辑器件Altera CycloneII的EP2C8Q208C8 作为控制器，通过编写VHDL硬件语言实现微控制器与集成IC之间的通信连接，初始化脉冲发生芯片和垂直驱动芯片。采用FPGA对比以前采用单片机作控制器，优点是通用性好，方便功能的升级和扩展，提高了同类型产品的开发效率。
2.时序脉冲产生电路：
其外围电路除了电源引脚需要加去耦电路外,可以直接和相关的芯片引脚相连。SAA8103内部具有一个振荡器，支持的频率范围从6MHz到28MHz，需要外接一个晶振，根据本设计中CCD的输出频率，选取SAA8103的外部晶振的频率为25MHz。图像处理同步信号HD、VD接到后端的图像处理单元。该部分电路供电为3.3V的模拟供电和3.3V数字供电，同时在设计PCB时要将数字地和模拟地分离。图2是SAA8103的电路图。
3.水平驱动电路：
水平驱动电路的主要功能是对三相水平转移时钟C1、C2、C3,以及SG、RG这五相时钟进行驱动，使其电压水平满足面阵CCD的水平驱动要求。这些时钟都是SAAS103的高频信号输出，频率都为25MHz, SAA8103输出的水平驱动脉冲电平为TTL电平，它们输入到74ACT04反向器中，74ACT04加上5V的供电电压,输出的水平时钟的幅度变为5V的脉冲信号，满足面阵CCD的驱动要求。图3是水平驱动电路图。
4.垂直驱动电路：
垂直驱动电路主要以垂直驱动芯片TDA9991为核心，电荷复位脉冲CR输入到TDA9991后，经过内部快门驱动后，输出的脉冲为CR-NS,它将与VNS耦合作为面阵CCD的电荷复位输入。第44到47引脚接SAA8103的垂直驱动A时钟的输入，输入为TTL电平，经过TDA9991内部的驱动器的驱动，可以驱动到面阵CCD所需电平。外围电路如图4。
5.偏置电压电路：
偏置电压电路产生面阵CCD正常工作所需的偏置电压VSFD（CCD输出放大器上的电压）、VNS（加到CCD的N型基底上的电压）、VPS（P型基底上的电压）、VRD（加到复位场效应管上的电压）、VOG（连接栅极和输出栅上加的电压）。VSFD从TDA9991输出后，并不是直接加到CCD上，而是要经过一个去噪放大的电路，而VNS可以直接接到CCD上，这样就可以保证VNS先于VSFD加到CCD上。而VRD和VPS都是VSFD的分压，在VSFD，VNS，VRD，VPS之间加上四个肖特基二极管BAT74，可以保证电压按照要求的顺序加到CCD上，同时也可以避免CCD受到这些电压瞬间变化而造成的潜在危险。VPS接上BC860C把CCD在曝光中产生的空穴从P型基底排出来。100K的电阻与BAS28并联耦合起消噪声的作用。图5是偏置电压电路图。图6是FPGA硬件语言编程的流程图。
Claims (9)
1. 一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统，该系统由FPGA和集成IC结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，其特征在于：所述的FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。
2. 根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的时序脉冲产生电路是FPGA是通过IIC总线配置SAA8103为CCD芯片提供脉冲信号。
3. 根据权利要求2所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的时序脉冲产生电路，其外围电路除了电源引脚需要加去耦电路外，直接和相关的芯片引脚相连；SAA8103内部具有一个振荡器，支持的频率范围从6MHz到28MHz，同时外接一个外部晶振，根据所述CCD的输出频率，选取SAA8103的外部晶振的频率为25MHz；图像处理同步信号HD、VD接到后端的图像处理单元；该部分电路供电为3.3V的模拟供电和3.3V数字供电，同时在设计PCB时要将数字地和模拟地分离。
4. 根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的水平驱动电路由IC——SAA8103输出水平驱动脉冲电平，输入到74ACT04反相器中，74ACT04加上相应的供电电压，使输出的水平时钟的幅度满足CCD的驱动要求。
5. 根据权利要求4所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的水平驱动电路是对三相水平转移时钟C1、C2、C3，以及SG、RG这五相时钟进行驱动，使其电压水平满足面阵CCD的水平驱动要求；所述的五相时钟都是SAAS103的高频信号输出，频率都为25MHz；SAA8103输出的水平驱动脉冲电平为TTL电平，它们输入到74ACT04反向器中，74ACT04加上5V的供电电压，输出的水平时钟的幅度变为5V的脉冲信号，满足面阵CCD的驱动要求。
6. 根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的垂直驱动电路当电荷复位脉冲CR输入到IC——TDA9991后，经过内部快门驱动后，输出的脉冲为CR-NS，它将与VNS耦合作为CCD的电荷复位输入；接SAA8103的垂直驱动时钟的输入，输入为TTL电平，经过TDA9991内部的驱动器的驱动，驱动到所需电平。
7. 根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的偏置电压电路由IC——TDA9991的直流电压VSFD分压而成。
8. 根据权利要求7所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的偏置电压电路产生面阵CCD正常工作所需的偏置电压VSFD、VNS（、VPS（P型基底上的电压）、VRD、VOG；VSFD从TDA9991输出后，并不是直接加到CCD上，而是要经过一个去噪放大的电路，而VNS可以直接接到CCD上；而VRD和VPS都是VSFD的分压，在VSFD，VNS，VRD，VPS之间加上四个肖特基二极管BAT74；VPS接上BC860C把CCD在曝光中产生的空穴从P型基底排出来；100K的电阻与BAS28并联耦合起消噪声的作用。
9. 根据权利要求7或8所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的偏置电压电路中的VPS接上BC860C把CCD在曝光中产生的空穴从P型基底排出来；100K的电阻与BAS28并联耦合起消噪声的作用。
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| CN201410695613.1A Pending CN104394333A (zh) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 南极望远镜中ccd驱动的控制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104394333A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110809154A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-18 | 江苏东方赛光电有限公司 | 一种红外探测器用图像验证系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5786713A (en) * | 1995-05-23 | 1998-07-28 | Sharp, Kabushiki, Kaisha | Driver circuit and a method for generating a driving signal |
| CN103795944A (zh) * | 2014-01-22 | 2014-05-14 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 通用的面阵ccd时序驱动发生器 |
| CN103888688A (zh) * | 2014-03-20 | 2014-06-25 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于驱动电荷耦合器件的时序发生装置 |
-
2014
- 2014-11-26 CN CN201410695613.1A patent/CN104394333A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5786713A (en) * | 1995-05-23 | 1998-07-28 | Sharp, Kabushiki, Kaisha | Driver circuit and a method for generating a driving signal |
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| CN103888688A (zh) * | 2014-03-20 | 2014-06-25 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于驱动电荷耦合器件的时序发生装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 元华明: "高分辨率全帧CCD驱动电路技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
| 翟昱云: "基于FPGA的高帧频CCD驱动控制系统的设计", 《科学技术与工程》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110809154A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-18 | 江苏东方赛光电有限公司 | 一种红外探测器用图像验证系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150304 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |