CN111628743A - 一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路及方法。该电路包括可变增益运算放大电路、迟滞比较电路、AD转换器和FPGA，其中，原始输入信号同时接入可变增益运算放大电路和迟滞比较电路；所述迟滞比较电路将原始输入信号与设定的阈值电压比较，根据比较结果输出高电平/低电平；所述可变增益运算放大电路根据迟滞比较电路的输出选择对应的增益档对原始输入信号进行调理，并输出至AD变换器；所述FPGA同时接收被AD转换器量化的数字式信号和迟滞比较电路的输出，合成数字化的目标信号。本发明使用一路放大电路、AD转换器及一路迟滞比较电路就实现了电路动态范围的扩展，成本较低，电路结构简明，通用性强。

Description

一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路 及方法

技术领域

本发明涉及一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益变换电路及方法。

背景技术

当前天文观测的科学研究中，往往需要观测一些亮度非常弱的星体(例如16等星)，同时在观测视场内又存在着大量亮度比较强的星体(例如5等星)，这就意味着观测系统需要有非常高的动态范围来保证既能观测的低亮度星体，同时获取的高亮度星体不会饱和。在这种情况下，一方面需要高动态范围的传感器能够把不同亮度等级的星体发出的光信号转换为对应的电信号，另一方面需要后端处理电路能够处理这些极大动态范围的信号并进行量化处理。

在高动态的天文观测系统中，动态范围基本由系统选用的传感器确定：传感器的读出噪声在一定程度上决定了探测能力的下限(例如16等星)，由于传感器读出频率与读出噪声有较大的相关性，因此系统的读出频率都会设置的比较低；传感器的满阱决定了探测能力的上限(例如5等星)。按照星等计算方法(每一星等差表示亮度差为2.512倍)，一个可同时探测16等星及5等星的探测系统的动态范围为25131＝88dB。为了要充分实现高动态传感器的性能，后端处理电路要有相应的动态范围，尤其是AD转换器。一般来说，AD转换器的动态范围由其量化位数确定(6.02N dB，N为量化位数)。可以计算得出，对于上述探测系统，所需AD量化位数至少为15-bit。

随着科学技术的发展，当前高量化位数的AD转换器有许多，但是结合探测系统的需求，可选择余地可能就不会太多，在考虑到成本等因素，目前发展出一种高、低增益配合同时量化的电路，如图1所示，A1、A2分别表示两个调理放大器，这样能够使用2个低量化位数的AD转换器实现高量化位数的AD转换，两路量化后的数据最终在FPGA处进行融合，最终提高处理电路的动态范围。

上述方法在设计上能够较好的令电路动态范围适配于传感器动态范围，但是存在一定的缺陷，即需要两路AD器件来实现(比较昂贵)，同时两路电路本身无论从调理放大器还是AD本身来说，都存在一定的差异性，在图像融合时难免带入一定的偏差。

发明内容

本发明提供了一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法及电路，实现提高动态范围的功能，成本较低，并减少了硬电路差异带来的固定偏差。

为实现以上目的，本发明提出以下技术方案：

一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)调理放大信号：对观测系统传感器输出的信号，使用运算放大电路调理信号，使信号动态范围与后一级的AD转换器输入动态范围适配；

2)确定输入信号幅度范围：将观测系统传感器输出的信号与设定的阈值进行比较，根据比较结果相应输出高电平/低电平；

3)调整运算放大电路增益：根据所述高电平/低电平，对运算放大电路配置相应的高增益/低增益系数；

4)量化输入信号：将运算放大电路输出的信号通过所述AD转换器数字化；

5)数据处理：接收步骤4)AD转换器输出的数字化信号，并参考步骤2)输出的高电平/低电平对信号进行修正，得到数字化的目标信号。

进一步地，步骤2)中采用迟滞比较电路，根据观测系统传感器输出的信号幅值输出不同信号电平，记所述信号幅值为V_signal，迟滞比较电路高、低阈值电平分别为V_high、V_low，如果V_signal>V_high，则迟滞比较电路输出为低电平；如果V_signal<V_low，则迟滞比较电路输出为高电平；如果V_low<V_signal<V_high，则迟滞比较电路保持前一状态。

进一步地，步骤3)中，是采用触发切换开关的方式，选择不同的负端输入电阻，实现对运算放大电路配置不同的增益系数。

进一步地，步骤5)中参考步骤2)输出的高电平/低电平对信号进行修正，具体是：如果步骤2)输出的是高电平，对应于运算放大电路的高增益，则将AD转换器输出的数字化信号增加一位最高位“0”；如果步骤2)输出的是低电平，对应于运算放大电路的低增益，则在AD转换器输出的数字化信号加上一个偏置值。

进一步地，所述偏置值为

其中

为高增益与低增益的增益系数之比，V_high为迟滞比较电路的高阈值电平。

本发明还提供了一种天文观测系统中可调整动态范围的增益自适应变换电路，其特殊之处在于：包括可变增益运算放大电路、迟滞比较电路、AD转换器和FPGA，其中，原始输入信号(观测系统传感器输出的信号)同时接入可变增益运算放大电路和迟滞比较电路；所述迟滞比较电路将原始输入信号与设定的阈值电压比较，根据比较结果输出高电平/低电平；所述可变增益运算放大电路根据迟滞比较电路的输出选择对应的增益档对原始输入信号进行调理，并输出至AD变换器；所述FPGA同时接收被AD转换器量化的数字式信号和迟滞比较电路的输出，合成数字化的目标信号。

进一步地，所述迟滞比较电路包括电压比较器、电阻R1、电阻R2；所述可变增益放大电路包括运算放大器、多路选择开关、电阻R3、电阻R4、电阻R5；所述原始输入信号同时接至运算放大器的正向输入端和所述电压比较器的反向输入端；所述电阻R1一端接入参考电平V_ref，另一端连接比较器的正向输入端；所述电阻R2的两端分别连接电压比较器的正向输入端和输出端；所述迟滞比较电路的输出端分别连接至多路选择开关的控制端和FPGA的第一输入端；所述电阻R3两端分别连接至运算放大器的反向输入端和输出端；所述多路选择开关的单端口连接至运算放大器的反向输出端，多端口分别连接电阻R4、电阻R5的一端，电阻R4、电阻R5的另一端接地；所述AD变换器的信号输入端连接运算放大器的输出端，控制端接收FPGA发来的控制信号，数据输出端连接FPGA的第二输入端。

进一步地，记迟滞比较电路设置的高、低阈值电平分别为V_high、V_low，输出的高、低电平分别为V_OH、0，则参考电平

本发明的优点是：

1、本发明使用一路放大电路、AD转换器及一路迟滞比较电路就实现了电路动态范围的扩展，相对于两路并行处理电路来说，成本更低，同时电路结构简明，通用性强。

2、本发明使用一路信号调理电路处理信号，相对于两路并行处理电路来说，不存在由于电路之间差异带来的偏差。

3、本发明可以依据实际情况设置迟滞比较器预值电平，具有较强的灵活性。

附图说明

图1常规的两路高低增益低位数量化AD转换合成高位数量化原理。

图2本发明的电路原理图。

图3可变增益放大电路双增益示意图。

图4迟滞比较电路及运算放大电路信号处理输入信号以及AD转换驱动时钟的时序关系图。

图5数据合成后电路系统的增益曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

当前天文观测系统为了能够获取极弱星等发出的光信号，往往需要较长的曝光时间，同时降低像元读出频率以降低传感器的读出电路噪声。由于在一次成像过程中，同时会有高亮度星体及低亮度星体进入视场，这意味着传感器输出的信号同时存在极弱、极强的状态。对于亮度极弱的星体对应的传感器输出信号，为了能够获取较高的信号强度，往往需要在AD转换之前将信号进行放大，以使AD转换器对其全面量化，才能令最终量化结果真实反映星体信息。对于高亮度星体，传感器输出的对应信号幅度本身就比较大，此时只需要调理其幅值与AD转换器的输入范围适配即可。

基于上述理，本发明所提供的一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法包括以下步骤：

(1)使用运算放大电路调理信号：将观测系统传感器输出的信号通过基于运算放大器为基础的可变换增益的运算放大电路进行调理，使信号动态范围与AD转换器输入动态范围适配。可变增益的运算放大电路由一运算放大器、多路选择开关及电阻网络组成。多路选择开关选择不同的通路，运算放大电路则表现为高增益状态或低增益状态。

(2)确定输入信号幅度范围：将观测系统传感器输出的信号V_signal输入一迟滞比较器(迟滞比较器的高、低阈值电平分别为V_high、V_low)，如果V_signal>V_high，则迟滞比较器输出为低电平(0)；如果V_signal<V_low，则迟滞比较器输出为高电平(1)；如果V_low<V_signal<V_high，则迟滞比较器保持前一状态。

(3)调整运算放大电路增益：(2)中所述迟滞比较器输出连接至(1)中所述的多路选择器的控制端口，如果迟滞比较器输出为“1”，则(1)中所述运算放大电路表现为高增益；如果迟滞比较器输出为“0”，则(1)中所述运算放大电路表现为低增益。

(4)量化输入信号：在(1)中所述的运算放大电路后端为一AD转换芯片，将运算放大电路输出的信号数字化。由于多路选择器转换需要一定的时间，同时运算放大电路增益变换稳定也需要一定的时间，因此要注意调整AD转换驱动时钟的位置，令每一个信号单元的转换点位于信号稳定后的区段。

(5)数据处理：一片FPGA芯片接收(2)中所述的迟滞比较器输出高、低电平及(4)中所述的AD输出数字化信号，如果迟滞比较器输出“1”，意味着(1)中所述运算放大电路位高增益状态，那么将AD输出数字信号增加一位最高位“0”；如果迟滞比较器输出“0”，意味着(1)中所述运算放大电路位低增益状态，那么将AD输出数字信号增加一个偏置值。

本发明同时提供了一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换电路，如图2所示，它包括依次连接的可变增益运算放大电路、迟滞电压比较电路、AD转换器、FPGA，其中，原始输入信号同时输入给可变增益运算放大电路及迟滞比较电路；所述迟滞比较电路对输入信号与预值电压比较，依据比较情况输出高、低电平；所述可变增益运算放大电路依据迟滞比较电路输出情况选择对应的增益档对原始输入信号进行调理，并输出至AD变换器；所述FPGA同时接受被AD转换器量化的信号及迟滞比较器的输出，将量化后的原始输入值增加一位最高位“0”或者加上一个偏置值，具体由迟滞比较器的输出确定。

上述可变增益运算放大电路由低噪声运算放大器、多路选择开关、电阻R3、电阻R4、电阻R5组成。运算放大器的正向输入端连接信号传感器输出，电阻R3两端分别连接至运算放大器的反向输入端及输出端；多路选择开关的单端口连接至运算放大器的反向输出端，多端口分别连接电阻R4、电阻R5的一端，电阻R4、电阻R5的另一端接地，运算放大器的输出连接AD转换器输入端。当多路选择器选通连接R4时，电路增益为A1＝1+R4/R3；当多路选择器选通连接R5时，电路增益为A2＝1+R5/R3。这里假设R4<R5，也就有A1为低增益，A2为高增益。

上述迟滞比较器由一般电压比较器及电阻R1、电阻2组成。比较器的反向输入端接传感器输出，电阻R1的一端连接参考电平V_ref，另一端连接比较器正向输入端，电阻R2的两端分别连接比较器的正向输入端及输出端，比较器的输出端连接可变增益运算放大电路中多路选择器的控制端及FPGA。

如果迟滞比较器输出高、低电位分别为V_OH、0，比较器输入参考电压为V_ref，可以求出上阈值电压为

下阈值电压为

设置合理的电阻R1及R2，令迟滞比较器的回差电压

略大于电路噪声即可，防止在一次AD转换过程中因为噪声导致电路增益跳变。

下面以传感器输出信号分别为低于迟滞比较器下阈值电平、高于迟滞比较上阈值电平及位于迟滞比较器上、下阈值电平之间的情况为例，具体说明本发明处理信号的流程。

假设传感器输出信号最大为V_{O_max}，AD转换器输入量程为0～V_{AD_full}，为了充分利用AD满量程，可变增益放大电路的两个增益环路输出都应能够到达0～V_{AD_full}，如图3所示。

假设迟滞比较器输出为V_OH时，可变增益放大电路增益选择为高增益A2；迟滞比较器输出为0时，可变增益放大电路增益选择为低增益A1。如果要使所有的传感器输出信号都能够被AD转换器有效量化，那么可变增益放大电路增益转换点应在高增益环路输出到达V_{AD_full}之前(如图5所示)，反映迟滞比较器中，考虑到环路增益应有V_high≤V_{AD_full}/A₂。在明确了增益转换点后，就可以确定迟滞比较电路的参考电压

当输入信号低于迟滞比较电路下阈值电平V_low时，迟滞比较器输出为V_OH，该信号控制可变增益放大电路中的多路选择器，令电路选择高增益A2通路；当输入信号高于迟滞比较电路上阈值电平V_high时，迟滞比较器输出为0，该信号控制可变增益放大电路中的多路选择器，令电路选择低增益A1通路；当输入信号位于增益转换点附近，且在迟滞比较电路上、下阈值电平之间时，迟滞比较电路特性会保证其输出维持之前状态，那么可变增益放大电路增益也会保持上一状态，而回差电压ΔV＝V_high-V_Low则能够防止在AD转换时由于噪声起伏导致电路增益发生变化而出现错误。由于电路噪声非常低，因此V_high≈V_low，在后期的数据处理过程中可以忽略回差电压ΔV带来的误差。

由于每一次可变增益放大电路增益转换到电路稳定需要一定的时间，因此要将AD转换器采样时钟应放在每一段信号的后半段，如图4所示。考虑到天文观测系统信号速率都比较低，AD采样点总是能够落在信号的稳定区间的。

在输入信号被AD转换器转换后，数字化信号输出至FPGA，同时FPGA接收到迟滞比较器的发来的信号。如果接收到的迟滞比较器的信号为“1”(高电平)，表示该信号为高增益放大，那么量化数据补加一个最高位“0”；如果接收到的迟滞比较器的信号为“0”(低电平)，表示该信号为低增益放大，那么量化数据就增加一个偏置

被折算为量化后的数值，如图5所示。这样处理后，暗星体对应的信号被高增益放大，信号得到增强，提高了信噪比；亮星体对应的信号被低增益放大，信号也能够有效显示，考虑到光子噪声的影响(光子噪声为光信号的平方根)，强信号最多只被增加了1位的量化，但是仍然能够有效体现目标信息。

Claims (8)

1.一种天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)调理放大信号：对观测系统传感器输出的信号，使用运算放大电路调理信号，使信号动态范围与后一级的AD转换器输入动态范围适配；

2)确定输入信号幅度范围：将观测系统传感器输出的信号与设定的阈值进行比较，根据比较结果相应输出高电平/低电平；

3)调整运算放大电路增益：根据所述高电平/低电平，对运算放大电路配置相应的高增益/低增益系数；

4)量化输入信号：将运算放大电路输出的信号通过所述AD转换器数字化；

5)数据处理：接收步骤4)AD转换器输出的数字化信号，并参考步骤2)输出的高电平/低电平对信号进行修正，得到数字化的目标信号。

2.根据权利要求1所述的天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特征在于：步骤2)中采用迟滞比较电路，根据观测系统传感器输出的信号幅值输出不同信号电平，记所述信号幅值为V_signal，迟滞比较电路高、低阈值电平分别为V_high、V_low，如果V_signal>V_high，则迟滞比较电路输出为低电平；如果V_signal<V_low，则迟滞比较电路输出为高电平；如果V_low<V_signal<V_high，则迟滞比较电路保持前一状态。

3.根据权利要求1所述的天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特征在于：步骤3)中，是采用触发切换开关的方式，选择不同的负端输入电阻，实现对运算放大电路配置不同的增益系数。

4.根据权利要求2所述的天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特征在于，步骤5)中参考步骤2)输出的高电平/低电平对信号进行修正，具体是：如果步骤2)输出的是高电平，对应于运算放大电路的高增益，则将AD转换器输出的数字化信号增加一位最高位“0”；如果步骤2)输出的是低电平，对应于运算放大电路的低增益，则在AD转换器输出的数字化信号加上一个偏置值。

5.根据权利要求4所述的天文观测系统中可扩展动态范围的增益自适应变换方法，其特征在于，所述偏置值为

其中

为高增益与低增益的增益系数之比，V_high为迟滞比较电路的高阈值电平。

6.一种天文观测系统中可调整动态范围的增益自适应变换电路，其特征在于：包括可变增益运算放大电路、迟滞比较电路、AD转换器和FPGA，其中，原始输入信号同时接入可变增益运算放大电路和迟滞比较电路；所述迟滞比较电路将原始输入信号与设定的阈值电压比较，根据比较结果输出高电平/低电平；所述可变增益运算放大电路根据迟滞比较电路的输出选择对应的增益档对原始输入信号进行调理，并输出至AD变换器；所述FPGA同时接收被AD转换器量化的数字式信号和迟滞比较电路的输出，合成数字化的目标信号。

7.根据权利要求6所述的天文观测系统中可调整动态范围的增益自适应变换电路，其特征在于：所述迟滞比较电路包括电压比较器、电阻R1、电阻R2；所述可变增益放大电路包括运算放大器、多路选择开关、电阻R3、电阻R4、电阻R5；所述原始输入信号同时接至运算放大器的正向输入端和所述电压比较器的反向输入端；所述电阻R1一端接入参考电平V_ref，另一端连接比较器的正向输入端；所述电阻R2的两端分别连接电压比较器的正向输入端和输出端；所述迟滞比较电路的输出端分别连接至多路选择开关的控制端和FPGA的第一输入端；所述电阻R3两端分别连接至运算放大器的反向输入端和输出端；所述多路选择开关的单端口连接至运算放大器的反向输出端，多端口分别连接电阻R4、电阻R5的一端，电阻R4、电阻R5的另一端接地；所述AD变换器的信号输入端连接运算放大器的输出端，控制端接收FPGA发来的控制信号，数据输出端连接FPGA的第二输入端。

8.根据权利要求7所述的天文观测系统中可调整动态范围的增益自适应变换电路，其特征在于：记迟滞比较电路设置的高、低阈值电平分别为V_high、V_low，输出的高、低电平分别为V_OH、0，则参考电平

Images