CN114415553A - 一种光电器件的扫描驱动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电器件的扫描驱动系统及方法，包括扫描信号生成模块、扫描信号放大模块和上位机程序控制模块；所述的扫描信号生成模块包括FPGA和D/A转换电路，所述FPGA包括相位寄存器、相位累加器、ROM及FPGA控制模块，所述的扫描信号放大模块包括高压放大电路以及用于为高压放大电路供电的高压电源模块；首先通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码将ROM中波形数据提取为二进制扫描数据，然后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据模数转换并LPF滤波生成扫描信号，最后扫描信号通过高压放大电路放大，实现可驱动光电器件的扫描功能。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种光电器件的扫描驱动系统及方法，主要实现一种适用于高线性度、宽电压幅值、并可以驱动阻抗负载的扫描驱动系统。
背景技术
目前，扫描驱动系统广泛应用于工业、医疗和其他设备，如摄像管监控、SEM等领域。并且扫描驱动电路是电子束偏转不可或缺的仪器设备。
扫描驱动电路按照器件不同可分为晶体管驱动、集成电路驱动、FPGA驱动。晶体管的驱动是通过晶振达到分频到所需的脉冲，再通过功率放大然后进行整形，这种做法会产生更大的功耗，并且在脉冲波形的前沿产生很高的峰值电压。，集成电路驱动是通过译码器进行分频，然后通过运放进行积分和放大，这样做的缺点是电路面积大，容易产生噪声干扰，对线性度造成很大影响。FPGA驱动是一种可编程控制器件通过DAC芯片产生相应的锯齿波信号，这种方案的线性度高、误差小以及快速调整，非常适合作为扫描驱动电路。
在电子电路中，使用运算放大器和分频器件实现的扫描驱动电路，其电路体积大，输出脉冲的延时高，其锯齿波信号线性度比较差，并且正程时间和逆程时间不能精准确定。
有运算放大器实现的典型扫描驱动电路如图1所示，令图中运算放大器A1的反相输入端电压为vN1，流经积分电容C的电流为iC。假定理想运放工作在线性状态，电容两端的电压uc与流过电容的电流ic之间存在着积分关系,即：
如能使电路的输出电压uo与电容两端的电压uc成正比，而电路的输入电压ul与流过电容的电流ic成正比，则uo与ul之间即可成为积分运算关系。利用理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点可以实现以上要求。
输入电压通过电阻R加在集成运放的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C引回一个深度负反馈，即可组成基本积分电路。为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，通常使同相输入端的电阻为
R＝R1
可以看出，这种反相输入基本积分电路实际上是在反相比例电路的基础上将反馈回路中的电阻RF改为电容c而得到的。
由于集成运放的反相输大端“虚地”，故
UO＝-UC
可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则i1＝ic，故
u1＝i1R＝icR
即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得
式中电阻与电容的乘积称为积分时间常数，通常用符号r表示，即
τ＝RC
如果在开始积分之前，电容两端已经存在一个初始电压，则积分电路将有一个初始的输出电压UO(0)，此时
如果在基本积分电路的输入端加上一个矩形波电压，则由式(3)可知，当t≤to时，u1＝0，故uo＝0；当to≤t≤t1时，uI＝U1＝常数，则
此时uo将随着时间而向负方向直线增长，增长的速度与输入电压的幅度U1成正比，与积分时间常数RC成反比。
当t≥t1时，u1＝0，由式(3)可知，此时uo将保持t＝t1时的输出电压值不变。
在实际的积分运算电路中，产生积分误差的原因主要有以下两个方面：
一是由于集成运放不是理想特性而引起的。例如，当u1＝0地，uo也应为零，但是由于运放的输入偏置电流流过积分电容，使uo逐渐上升，时间愈长，误差愈大。又如，由于集成运放的通频带不够宽，使积分电路对快速变化的输入信号反应迟钝，使输出波形出现滞后现象，等等。
二是由积分电容引起的。例如，当u1回到零以后，uo应该保持原来的数值不变，但是，由于电容存在泄漏电阻，使uo的幅值逐渐下降。又如，由于电容存在吸附效应也将给积分电路带来误差，等等。针对相关技术中积分电路的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电器件的扫描驱动系统及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明可输出高电压幅值及相位误差小的扫描信号，解决了以往光电器件无法稳定输出图像的问题，进一步提升了光电器件成像的分辨率，提升了光电器件在成像传感器领域的地位。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光电器件的扫描驱动系统，包括扫描信号生成模块、扫描信号放大模块和上位机程序控制模块；
所述的扫描信号生成模块包括FPGA和D/A转换电路，所述FPGA包括相位寄存器、相位累加器、ROM及FPGA控制模块，所述的扫描信号放大模块包括高压放大电路以及用于为高压放大电路供电的高压电源模块；首先通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码将ROM中波形数据提取为二进制扫描数据，然后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据模数转换并LPF滤波生成扫描信号，最后扫描信号通过高压放大电路放大，实现可驱动光电器件的扫描功能。
进一步地，所述的FPGA采用Altera cycloneIV系列EPCE10芯片。
进一步地，所述ROM中的波形数据通过matlab编程实现。
进一步地，所述D/A转换电路采用ACM9767模块。
进一步地，所述的高压放大电路选取的高压运放为LTC6090芯片。
进一步地，所述相位累加器设置有两个，分别位于相位寄存器的输入端和输出端，所述相位控制字输送至相位寄存器输入端的相位累加器，所述频率控制字输送至相位寄存器输出端的相位累加器。
一种光电器件的扫描驱动方法，包括以下步骤：
步骤一：确定扫描对象；
步骤二：根据确定的扫描对象，确定扫描驱动信号参数，依据扫描驱动信号参数在上位机程序控制模块设定频率控制字和相位控制字，通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码将ROM中波形数据提取为二进制扫描数据，然后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据模数转换并LPF滤波生成扫描信号，最后扫描信号通过高压放大电路放大，实现可驱动扫描对象的扫描功能。
进一步地，所述扫描对象选取是静电型光电导摄像管。
进一步地，步骤二中根据确定的扫描对象，对静电型光电导摄像管扫描时采用隔行扫描方式，并且测量静电型光电导摄像管的花样偏转电极的阻抗和分布电容，并通过静电型光电导摄像管的电子枪模拟仿真其偏转特性，由此确定扫描驱动信号参数，依据扫描驱动信号参数在上位机程序控制模块设定15.625KHZ和50HZ的频率控制字。
进一步地，步骤二中根据测定的阻抗和分布电容，在扫描信号放大模块进行参数计算，确保放大模块的输出与静电型光电导摄像管匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用FPGA+DAC，将扫描信号的每一点的电位进行数字化，相邻每一点的电位递增为nv级别，DAC输出的扫描信号线性度好，由于用的器件少，没有附带的噪声，因此噪声小、精度高，可靠性稳定。
进一步地，本发明采用matlab对扫描信号提前仿真，更好地控制扫描信号的线性度。
进一步地，本发明的扫描控制软件通过改变频率控制字和相位控制字，使扫描方式更加多样化，扫描信号时序可以随意调节，具有广泛的实用价值。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为典型运算放大器实现的扫描驱动电路原理图。
图2为本发明的总体设计框图。
图3为在matlab上生成的扫描信号图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光电器件的扫描驱动系统，包括扫描信号生成模块、扫描信号放大模块和上位机程序控制模块，所述的扫描信号生成模块主要由相位寄存器、相位累加器、ROM、FPGA控制模块、D/A转换电路构成，所述的扫描信号放大模块主要由高压电源模块、高压放大电路组成。首先通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码向ROM里提取扫描信号数据，最后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据生成扫描信号，经扫描信号放大模块放大，实现可驱动光电器件的扫描功能。
该系统的原理是：根据傅立叶变换定理可知，任何周期信号都可以分解为一系列正弦或余弦信号之和，例如一个频率为fc的正弦信号，其时域表达式为：
s(t)＝Asin(2Πfct+θ0)
其相位表达式为：
Φ(t)＝2Ⅱfct+θ0
s(t)为正弦信号的幅度，Φ(t)为正弦信号的相位，θ0为正弦信号的相位角。
相位和幅值的一一对应关系就好比存储器中地址和存储内容的关系，如果把一个周期内每个相位对应的幅度值存入存储器当中，那么对于任意频率的正弦信号，在任意时刻，只要已知相位Φ(t)，也就知道地址，就可通过查表得到s(t)。
相位累加器在每个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器的输出数据就是信号的相位，用输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，这样就可以把存取在波形存储器内的波形抽样值经查找表查处，完成相位到幅值的转换。频率控制字相当于Φ(t)中的2πfc，相位控制字相当于Φ(t)中的θ0。
由于相位累加器字长的限制，相位累加器累加到一定值后，其输出将会溢出，这样波形存储器的地址就会循环一次，即意味着输出波形循环一周。故改变频率控制字即相位增量，就可以改变相位累加器的溢出时间，在时钟频率不变的条件下就可以改变输出频率。
如图2，为了实现驱动光电器件扫描，以满足成PAL制式的图像，计算机内先编程设定的软件，上位机程序控制模块设定了特定频率的行场扫描信号，通过RS232串口向FPGA通信，发送频率控制字和相位控制字，具体包含扫描方式、扫描速度、扫描精度等功能。
本发明中FPGA采用Altera cycloneIV系列EPCE10芯片，其中芯片包含相位累加器、相位寄存器以及ROM。
利用matlab工具生成扫描波形如图3所示，把扫描波形转换成二进制扫描数据，然后存入ROM。基于Quartus II平台，并且调用了ROM核，改变ROM中的波形数据就可以输出相对应的波形。
驱动光电器件的两组信号为15.625KHZ，50HZ的对称锯齿波电压，幅值为正负50V。要产生这样的信号，输入为DAC产生的3.3V的锯齿波电压，经过LTC6091组成的同相、反相比例高压放大电路，输出两组这样的波形(周期64us,正程时间59.3us,逆程4.7us，周期20ms，正程时间18.4ms，逆程时间1.6ms)。
通过以上系统的设计，上位机程序控制模块根据光电器件的扫描方式和生成的图像制式的要求，在窗口设定好频率和相位。通过串口向FPGA发送频率控制字和相位控制字，存放在相位寄存器中，通过相位累加器累加，输出频率和相位的地址码，向ROM提取波形，通过模数转换并滤波放大，最终实现驱动光电器件隔行或逐行两种扫描方式。
具体方法如下：
步骤一：首先确定好扫描对象，本发明选取的是静电型光电导摄像管这类光电器件。
步骤二：根据确定的扫描对象，需要对静电型光电导摄像管扫描时采用隔行扫描方式，并且对其花样偏转电极测量其阻抗和分布电容，因此确定好扫描驱动信号参数，在上位机程序控制模块就设定好15.625KHZ和50HZ的频率控制字，发送到FPGA中控制扫描信号的频率；根据前面测定的阻抗和分布电容，在扫描放大模块进行参数计算，需要对光电器件扫描时采用正负50V幅度进行扫描，确保放大模块的输出是和光电导摄像管与之匹配。
该方法应用了软硬件系统、自动控制等技术，是基于超大规模FPGA芯片硬件平台的数字化系统。该方法应用于核电站监测系统和基于光电器件的X射线显影系统，扫描方式隔行扫描和逐行扫描可以满足不同应用环境及不同器件功能下的扫描要求。本发明为医疗、核工业、核潜艇等综合辐射环境下成像的研究提供了全新的硬件平台。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，包括扫描信号生成模块、扫描信号放大模块和上位机程序控制模块；
所述的扫描信号生成模块包括FPGA和D/A转换电路，所述FPGA包括相位寄存器、相位累加器、ROM及FPGA控制模块，所述的扫描信号放大模块包括高压放大电路以及用于为高压放大电路供电的高压电源模块；首先通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码将ROM中波形数据提取为二进制扫描数据，然后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据模数转换并LPF滤波生成扫描信号，最后扫描信号通过高压放大电路放大，实现可驱动光电器件的扫描功能。
2.根据权利要求1所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，所述的FPGA采用Altera cycloneIV系列EPCE10芯片。
3.根据权利要求1所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，所述ROM中的波形数据通过matlab编程实现。
4.根据权利要求1所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，所述D/A转换电路采用ACM9767模块。
5.根据权利要求1所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，所述的高压放大电路选取的高压运放为LTC6090芯片。
6.根据权利要求1所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，所述相位累加器设置有两个，分别位于相位寄存器的输入端和输出端，所述相位控制字输送至相位寄存器输入端的相位累加器，所述频率控制字输送至相位寄存器输出端的相位累加器。
7.一种光电器件的扫描驱动方法，采用权利要求1-6任一项所述的一种光电器件的扫描驱动系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定扫描对象；
步骤二：根据确定的扫描对象，确定扫描驱动信号参数，依据扫描驱动信号参数在上位机程序控制模块设定频率控制字和相位控制字，通过上位机程序控制模块的界面操作，通过串口给相位寄存器发送频率控制字和相位控制字，通过相位累加器累加生成地址码将ROM中波形数据提取为二进制扫描数据，然后FPGA控制模块完成对D/A转换电路的控制，把ROM提取的二进制扫描数据模数转换并LPF滤波生成扫描信号，最后扫描信号通过高压放大电路放大，实现可驱动扫描对象的扫描功能。
8.根据权利要求7所述的一种光电器件的扫描驱动方法，其特征在于，所述扫描对象选取是静电型光电导摄像管。
9.根据权利要求8所述的一种光电器件的扫描驱动方法，其特征在于，步骤二中根据确定的扫描对象，对静电型光电导摄像管扫描时采用隔行扫描方式，并且测量静电型光电导摄像管的花样偏转电极的阻抗和分布电容，并通过静电型光电导摄像管的电子枪模拟仿真其偏转特性，由此确定扫描驱动信号参数，依据扫描驱动信号参数在上位机程序控制模块设定15.625KHZ和50HZ的频率控制字。
10.根据权利要求8所述的一种光电器件的扫描驱动方法，其特征在于，步骤二中根据测定的阻抗和分布电容，在扫描信号放大模块进行参数计算，确保放大模块的输出与静电型光电导摄像管匹配。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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