CN115150570B

CN115150570B - 基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备

Info

Publication number: CN115150570B
Application number: CN202211086184.9A
Authority: CN
Inventors: 程慧东
Original assignee: Wuhan Gatlin Optical Instrument Co ltd
Current assignee: Wuhan Gatlin Optical Instrument Co ltd
Priority date: 2022-09-06
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2042-09-06
Also published as: CN115150570A

Abstract

本申请公开了一种基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备。所述双采样信号处理电路包括：AD转换器和数字信号处理模块；所述AD转换器用于接收CCD传感器模块输出的模拟电信号并进行AD转换，还用于根据所述数字信号处理模块的控制对每个像素的复位电压和像元信号电压分别进行多次离散采样；所述数字信号处理模块用于控制所述AD转换器的离散采样，还用于接收复位电压和像元信号电压的离散采样值并进行均值处理，分别获得复位电压均值和像元信号电压均值，将所述复位电压均值与所述像元信号电压均值的差值作为每个像素的有效信号电平值。本发明适用于高精度应用场合下的CCD传感器信号采集及数据处理。

Description

基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备

技术领域

本申请涉及信号处理技术领域，更具体地，涉及一种基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备。

背景技术

图像传感器是光谱成像及检测中必不可少的器件。图像传感器的作用是可以将光信号转换为电信号，然后利用对电信号的处理达到间接获取光信号特征的目的，从而实现对光谱的成像及分析。

图像传感器产品主要分为CCD和CMOS两大类。由于CMOS传感器是每个像素都自带信号放大器，所以很难保证像素之间的一致性，因此容易形成噪点。且CMOS传感器像素内置的放大器挤占了有限的像素空间，导致像素实际的传感器感光面积减小，因此CMOS传感器灵敏度相对不高。CCD传感器是所有像素共用信号放大器，所以有较高的一致性，良好的信噪比，且因为像素内部无信号放大器，同尺寸像素条件下传感器感光面积较大，有较高的灵敏度。所以在一些高精度应用场合，大多采用CCD传感器来实现光谱成像及检测功能。

因为CCD适合应用在高精度场合，那么自然对成像数据采集提出更高的要求，所以目前主流的技术是采用相关双采样电路（CDS）来实现对CCD输出信号进行数据采集。相关双采样电路结构如图1所示，在一个采样周期内，分别采集Reset电平和Signal电平，然后送入差分放大器内部做减法，得到目标的信号电压，因为目标信号电压与CCD感应的光照强度是成正比关系的，从而能换算出CCD所采集到的实际光照强度变化，达到检测目的。

但是目前集成CDS采样的AD转换器芯片，大多数的积分非线性（INL）参数较大，在要求特别高的应用场合，即目标信号值与INL值相当的情况下，此类自带CDS采样的AD转换器芯片就不能满足精确测量的需求。

另外，传统的分离式模拟CDS采样电路需要用到较多的电子元器件，采样过程中需要通过开关切换并对RC电路充放电，来采集复位电压及signal电压，在这个过程中，因为电容参数一致性误差带来的充放电不均衡，及运放温度漂移、失调电压等影响，都会额外引入噪声及测量误差，增加了高精度采集的难度。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于数字电路的双采样信号处理电路及显示面板检测设备，适用于高精度应用场合下的CCD传感器信号采集及数据处理。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于数字电路的双采样信号处理电路，包括：

AD转换器和数字信号处理模块；

所述AD转换器用于接收CCD传感器模块输出的模拟电信号并进行AD转换，还用于根据所述数字信号处理模块的控制对每个像素的复位电压和像元信号电压分别进行多次离散采样；

所述数字信号处理模块用于控制所述AD转换器的离散采样，还用于接收复位电压和像元信号电压的离散采样值并进行均值处理，分别获得复位电压均值和像元信号电压均值，将所述复位电压均值与所述像元信号电压均值的差值作为每个像素的有效信号电平值。

进一步地，所述控制所述AD转换器的离散采样包括：

输出采样时序控制信号给所述AD转换器，每个周期的采样时序控制信号包括多个复位电压采集方波和多个像元信号电压采集方波，第一个复位电压采集方波的下降沿相对于所述CCD传感器模块的复位控制信号的下降沿延时第一预设时间，第一个像元信号电压采集方波的下降沿相对于所述CCD传感器模块的数据输出控制信号的下降沿延时第二预设时间。

进一步地，所述数字信号处理模块还用于输出所述CCD传感器模块的复位控制信号和所述CCD传感器模块的数据输出控制信号给所述CCD传感器模块。

进一步地，所述数字信号处理模块为FPGA。

进一步地，还包括电平偏移电路，所述电平偏移电路用于将所述CCD传感器模块输出的模拟电信号进行电平偏移后再输出给所述AD转换器。

进一步地，所述电平偏移电路为电容隔直电路。

进一步地，双采样信号处理电路还包括缓冲器，所述缓冲器用于将所述电平偏移电路的输出信号进行阻抗变换后再输出给所述AD转换器。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种显示面板检测设备，包括双采样信号处理电路，所述双采样信号处理电路包括：

AD转换器和数字信号处理模块；

进一步地，所述控制所述AD转换器的离散采样包括：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过AD转换器配合FPGA等数字信号处理电路进行内部算法逻辑处理，相对于集成CDS采样的AD转换器芯片，单独功能的AD转换器具有极低积分非线性（INL）且采样速率高，获取目标电压值的方法来实现高精度应用场合下的CCD信号采集，实现数字电路双采样信号处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的相关双采样电路示意图；

图2为本申请实施例提供的基于数字电路的双采样信号处理电路示意图；

图3为本申请实施例提供采样时序控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块。

针对自带CDS采样的AD转换器芯片积分非线性（INL）较大，及传统模拟CDS采样电路在测试精度要求特别高的应用场合不能有效对信号进行测量的问题，本发明提出一种AD转换器配合数字信号处理电路（例如，FPGA）进行内部算法逻辑处理。相对于集成CDS采样的AD转换器芯片，单独功能的AD转换器具有极低积分非线性（INL）且采样速率高，获取目标电压值的方法来实现高精度应用场合下的CCD信号采集，实现数字电路双采样信号处理。

本发明实施例的一种基于数字电路的双采样信号处理电路，包括：AD转换器和数字信号处理模块。

CCD传感器模块AD转换器用于接收CCD传感器模块输出的模拟电信号并进行AD转换，还用于根据CCD传感器模块数字信号处理模块的控制对每个像素的复位电压和像元信号电压分别进行多次离散采样。

复位电压是指在复位脉冲过去之后信号电荷包到来之前的某一时刻的电平，像元信号电压是指信号电荷包到来时的电平。由于两次采样的噪声是相关的，因此噪声被消除。

CCD传感器模块数字信号处理模块用于控制CCD传感器模块AD转换器的离散采样，还用于接收复位电压和像元信号电压的离散采样值并进行均值处理，分别获得复位电压均值和像元信号电压均值，将CCD传感器模块复位电压均值与CCD传感器模块像元信号电压均值的差值作为每个像素的有效信号电平值。

本发明是用高速AD转换器将复位电压和像元信号电压采集并保存到FPGA内，然后FPGA在内部对复位电压和像元信号电压取平均值，并做减法运算从而获取每个像素的有效信号电压值，即目标电压值，不需要外围充放电及差分放大器电路。

本发明不需要在采样时额外进行复位电压和像元信号电压开关切换及在运放上进行差分从而获取目标电压，大大减少了电路元器件数量，提升了测量精度。

进一步地，本发明首先需要将CCD输出的原始信号进行电平偏移处理，使较高电压的原始信号可以降低到适合AD转换器进行采样的模拟信号，然后接入到AD转换器输入端。

当经过电平偏移的原始信号送入AD转换器后，高速AD转换器需要多次采样复位电压值（Vreset1…VresetN），像元信号电压值（Vsignal1…VsignalN），并分别对复位电压值，像元信号电压值取平均值，获得复位电压均值Vreset__AVG和像元信号电压均值Vsignal__AVG。最后将复位电压，像元信号电压取平均值后相减，得到需要的目标电压值V=Vreset__AVG-Vsignal__AVG。

由于外部光源入射到CCD上的亮度不同，会引起Vsignal__AVG等比例的变化，根据这个特点，检测Vsignal__AVG变化可以反映外部光源亮度的变化。又由于Vreset__AVG电压取决于外部电源供电，不随光照强度变化而变化。所以检测目标电压值V=Vreset__AVG-Vsignal__AVG的变化，也同样可以反映外部光源亮度的变化，且这样还可以抵消电源上面的耦合噪声，有利于提高采样精度。

根据上述分析，得到目标电压值，可以反映对应的外部光源亮度情况。因此，如果将目标电压值进行图形类处理及显示，即达到测量数据可视化的效果。

每次完成一个周期（像素）的采集测量后，AD转换器会根据信号触发指示，继续进行下一个周期（像素）的数据采集工作，直至完成所有采集测量任务。

进一步地，CCD传感器模块数字信号处理模块为FPGA。

进一步地，双采样信号处理电路还包括电平偏移电路，CCD传感器模块电平偏移电路用于将CCD传感器模块CCD传感器模块输出的模拟电信号进行电平偏移后再输出给CCD传感器模块AD转换器。

进一步地，CCD传感器模块电平偏移电路为电容隔直电路。

进一步地，双采样信号处理电路还包括缓冲器，CCD传感器模块缓冲器用于将CCD传感器模块电平偏移电路的输出信号进行阻抗变换后再输出给CCD传感器模块AD转换器。

下面具体说明控制CCD传感器模块AD转换器离散采样的原理。

如图3所示，图中包括三个信号，Trig signal是AD转换器采样触发信号，低电平有效，由FPGA产生。SG是CCD控制时序固有信号，用来控制CCD有效数据输出，可以由数字信号处理电路（FPGA）产生，也可以由其他独立的控制模块产生。RG是CCD控制时序固有信号，用来控制CCD复位，可以由数字信号处理电路（FPGA）产生，也可以由其他独立的控制模块产生。

输出采样时序控制信号（Trig signal）给CCD传感器模块AD转换器，每个周期的采样时序控制信号包括多个复位电压采集方波和多个像元信号电压采集方波。第一个复位电压采集方波的下降沿相对于CCD传感器模块CCD传感器模块的复位控制信号的下降沿延时第一预设时间，第一个像元信号电压采集方波的下降沿相对于CCD传感器模块CCD传感器模块的数据输出控制信号的下降沿延时第二预设时间。即RG电平拉低后，延时Tr时间，即可进行复位噪声电平采集，能采集复位噪声电平最大次数由AD转换器采样率及CCD驱动频率时序共同决定。SG电平拉低后，延时Ts时间，即可进行像元信号电平采集。同样，能采集复位噪声电平最大次数由AD转换器采样率及CCD驱动频率时序共同决定。

本发明实施例的一种显示面板检测设备，包括双采样信号处理电路，CCD传感器模块双采样信号处理电路包括：

AD转换器和数字信号处理模块；

CCD传感器模块AD转换器用于接收CCD传感器模块输出的模拟电信号并进行AD转换，还用于根据CCD传感器模块数字信号处理模块的控制对每个像素的复位电压和像元信号电压分别进行多次离散采样；

进一步地，CCD传感器模块控制CCD传感器模块AD转换器的离散采样包括：

输出采样时序控制信号给CCD传感器模块AD转换器，每个周期的采样时序控制信号包括多个复位电压采集方波和多个像元信号电压采集方波，第一个复位电压采集方波的下降沿相对于CCD传感器模块CCD传感器模块的复位控制信号的下降沿延时第一预设时间，第一个像元信号电压采集方波的下降沿相对于CCD传感器模块CCD传感器模块的数据输出控制信号的下降沿延时第二预设时间。

进一步地，CCD传感器模块数字信号处理模块还用于输出CCD传感器模块CCD传感器模块的复位控制信号和CCD传感器模块CCD传感器模块的数据输出控制信号给所述CCD传感器模块。

上述显示面板检测设备的实现原理与上述基于数字电路的双采样信号处理电路的实现原理相同，此处不再赘述。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合。另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims

1.一种基于数字电路的双采样信号处理电路，其特征在于，

由依次连接的电平偏移电路、缓冲器、AD转换器、数字信号处理模块组成；其中：

所述电平偏移电路用于将CCD传感器模块输出的模拟电信号进行电平偏移后再输出给所述AD转换器；

所述缓冲器用于将所述电平偏移电路的输出信号进行阻抗变换后再输出给所述AD转换器；

所述AD转换器为非集成CDS采样的单独功能AD转换器，所述数字信号处理模块为FPGA；

所述数字信号处理模块用于控制所述AD转换器的离散采样，还用于接收复位电压和像元信号电压的离散采样值并进行均值处理，分别获得复位电压均值和像元信号电压均值，将所述复位电压均值与所述像元信号电压均值的差值作为每个像素的有效信号电平值；

所述控制所述AD转换器的离散采样包括：

输出采样时序控制信号给所述AD转换器，每个周期的采样时序控制信号包括多个复位电压采集方波和多个像元信号电压采集方波，所述每个周期的采样时序控制信号中，第一个复位电压采集方波的下降沿相对于所述CCD传感器模块的复位控制信号的下降沿延时第一预设时间，第一个像元信号电压采集方波的下降沿相对于所述CCD传感器模块的数据输出控制信号的下降沿延时第二预设时间。

2.如权利要求1所述的双采样信号处理电路，其特征在于，所述数字信号处理模块还用于输出所述CCD传感器模块的复位控制信号和所述CCD传感器模块的数据输出控制信号给所述CCD传感器模块。

3.如权利要求1或2中所述的双采样信号处理电路，其特征在于，所述电平偏移电路为电容隔直电路。

4.一种显示面板检测设备，其特征在于，包括双采样信号处理电路，所述双采样信号处理电路由依次连接的电平偏移电路、缓冲器、AD转换器、数字信号处理模块组成；其中：

所述控制所述AD转换器的离散采样包括：

5.如权利要求4所述的显示面板检测设备，其特征在于，所述数字信号处理模块还用于输出所述CCD传感器模块的复位控制信号和所述CCD传感器模块的数据输出控制信号给所述CCD传感器模块。