CN201533352U - 天文用ccd相机的模拟信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天文用CCD相机的模拟信号处理电路。它由CCD信号接入与缓冲放大器电路、隔直电容、模拟前端处理器及其数字接口与控制器件连接而成。缓冲放大器电路是以集成运算放大器OPA842为基础构建的同相放大器。模拟信号的处理和模数转换由CCD信号处理器件AD9824完成。通过数字控制器对AD9824进行适当的初始化，可使AD9824工作在CCD模式之下。用一片运算放大器OPA842和一片模拟前端AD9824分别作为CCD信号的缓冲放大器和处理器，有利于CCD信号和处理器之间的信号匹配，可以减少CCD模拟信号处理电路的外部环节和电路板面积。

Description

天文用CCD相机的模拟信号处理电路

技术领域

本实用新型涉及天文用CCD相机的模拟信号处理电路，尤其是一种能用于天文观测的CCD相机的模拟信号处理与A/D转换的电路。

背景技术

CCD是一种光电转换器件，从上世纪70年代以来，作为光学图像的电子传感器，被广泛应用于各类光电成像系统中。在安全监控及电视摄像系统、民用和军用CCD照相机、科学级成像系统中，都有各种不同种类和不同级别的CCD器件。由于CCD是光电成像器件，要使其正常工作，除了要有一个优良的光学系统进行光学成像之外，还需要一个优良的外围电路与系统来支持它的电气运行。从电路的角度来看，CCD输出是模拟的图像信号，简称为CCD信号或模拟信号。为便于进行图像的分析和研究，必须经过细致的处理并将其转换成数字图像信号。因此，从CCD模拟信号输出到获得数字图像之前，必须配备相关的模拟信号处理电路。

通常，天文用CCD相机的模拟信号处理电路的输入端与CCD信号前置放大器的输出引脚相连接，它提取的CCD模拟信号经缓冲放大、隔直和直流恢复、相关双取样(CDS)或双积分、A/D转换后成为数字图像信号。因此，模拟信号处理电路的好坏，直接影响整个CCD成像系统的性能，可以说，它是整个相机电路中最关键的一部分。CCD相机的模拟信号处理电路经过几十年的研究和发展，在理论上已相当成熟；但随着现代半导体产品的推陈出新和电子技术的发展，它在实现的技术上则不断有新的发展和革新。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种天文用CCD相机的模拟信号处理电路，该电路采用Analog Devices公司生产的CCD信号处理器AD9824作为CCD模拟信号处理和模数转换的器件，又称为模拟前端(AFE)；并以Texas Instrument s公司生产的集成运算放大器OPA842作为CCD模拟信号的缓冲放大器。该CCD模拟信号处理电路适合用于14位数字精度的中高速读出的低噪声CCD相机电路设计之中。

本实用新型的技术方案是：天文用CCD相机的模拟信号处理电路，由CCD信号接入电路与缓冲放大器OPA842电路、隔直电容、CCD信号处理器AD9824及其数字接口与控制器件连接而成。包含：接入电路1、由OPA842构成的缓冲放大器2、隔直电容3、由AD9824构成的模拟前端处理器4、由74AC541与电阻网络构成的输出数据缓冲器5、由74AC541构成的AFE控制数据缓冲器6和由现场可编程器件FPGA构成的CCD和AFE控制与图像数据接收器7。

本实用新型的技术文案所选用的CCD信号处理器AD9824，虽然是单片的集成电路器件，但其内部包含有直流恢复电路(DC Restore)、相关双取样电路(CDS)、增益放大电路(VGA)、箝位电路(Clamp Level)、14位A/D转换器(ADC)、相关的数字寄存器及其控制电路、供电电源等，与天文用CCD模拟信号处理电路结构相类似。通过适当的外部连接和设置，可以用于某些特定的天文CCD相机系统之中。

在该天文用CCD相机的模拟信号处理电路中，AD9824的数字控制端口通过数据缓冲器74AC541与FPGA相连接，AD9824的CCD图像数据输出端口通过限流电阻网络RN及数据缓冲器74AC541与FPGA相连接，AD9824的其它端口采用CCD模式的连接方式。而用作CCD和AFE控制与图像数据接收器(7)控制的现场可编程器件FPGA通过74AC541数据缓冲器和AD9824的三线串行数字接口SL、SCK和SDATA对AD9824进行工作模式设置，即由FPGA通过对三线串行数字接口SL、SCK和SDATA进行适当的设置，使其置于标准的CCD工作模式。

本实用新型的有益效果是：用一片集成运算放大器OPA842作为模拟信号的输入缓冲和放大，有利于CCD输出信号和模拟前端处理器之间的信号匹配；用一片模拟前端AD9824作为CCD信号的处理器，可以减少CCD模拟信号处理电路的外部环节，从而尽可能地减小外部引入噪声，有效地提高了CCD相机的性能，同时亦可减小模拟信号处理电路所占用的电路板面积，使产品易于小型化。

附图说明

图1是模拟信号处理电路功能框图。

图2是模拟信号输入与缓冲放大器电路图。

图3是模拟信号处理器及其周边电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1中，CCD信号接入电路1，由OPA842构成的缓冲放大器2，隔直电容3，由AD9824构成的模拟信号处理器或模拟前端(AFE)器件4-AD9824，CCD图像数据输出缓冲器5，AFE控制数据输入缓冲器6，用于CCD和AFE控制与数据接收的现场可编程器件(FPGA)7。

CCD信号接入电路与缓冲放大器的实施例如图2所示。接入电路由射频同轴连接器J1和屏蔽线端接配备电阻R1组成。CCD输入信号Vin由射频同轴连接器J1引入的，经屏蔽线端接配备电阻R2后进入缓冲放大器。R2的值由所用的屏蔽线决定，通常是50Ω或75Ω。

缓冲放大器由集成运算放大器OPA842通过反馈电阻R3、增益电阻R4连接成标准的同相放大器结构。OPA842通过反馈电阻R3、增益电阻R4连接成标准的同相放大器结构，缓冲放大后的模拟输出信号Vout与Vin、R3、R4的关系为 $\mathrm{Vout}=\mathrm{Vin}(1+\frac{R3}{R4})$ 。这里R3、R4应根据CCD信号的最大幅值、前置放大器的放大倍数、屏蔽线与端接电阻和AD9824允许的最大输入模拟信号幅值共同决定。

在缓冲放大器中，当没有OPA842的情况下，运算放大器可用OPA642替代。

缓冲放大器后连接隔直电容：即图3中的C20，它滤除缓冲放大器模拟输出信号Vout中的直流电压成分，并将放大后的交变模拟信号传输到AFE的信号输入端，以便AFE对模拟输出信号进行直流恢复。

模拟前端处理器与数据缓冲器的实施例如图3所示。AD9824采用标准的CCD模式工作，主要的连接形式为：HD、VD通过小于1Ω的电阻R1接到模拟电源3.3VA；AUXIN1接地，AUXIN2接AVDD2；模拟地与数字地直接连接，即数模共用同一地平面，但布局布线时模拟器件与数字器件必须分界处理；9位数字输入端口通过数据缓冲器连接到现场可编程逻辑电路(FPGA)的可编程输入输出端口(PIO)，CCD信号处理器AD9824的工作模式与工作过程，就是由FPGA经数据缓冲器74AC541发送过来的9个控制信号决定；AD9824工作寄存器的初始化和AD9824的数字控制信号波形的生成，均应参照其说明书的规定进行。AD9824图像数据输出端后面连接的限流电阻网络可有可无，但对于噪声要求高的系统，建议使用。电阻的阻值可在100Ω以内，视其后所连接的数字器件的具体情况而定；对于采用74AC541作为缓冲器的电路，一般可选50Ω左右的阻值电阻网络。

电路工作时，首先通过AD9824的串行数字接口控制端SL、SCK和SDATA进行工作寄存器的初始化，将其置于标准的CCD工作模式，并设置好其内部模拟信号的VGA增益和箝位电平数值。模拟信号在时钟DATACLK、采样脉冲SHP、SHD等数字信号的控制下，经过直流恢复、相关双取样、信号放大、电平箝位等环节的处理后，进入模数转换器(ADC)并被转换成14位的数字信号，再经过限流电阻网络RN和数据缓冲器74AC541，最后到达FPGA的FIFO中。

在图2和图3中，电源滤波电路是必需的，元器件均应选用表贴封装的元器件。极性电容器选用钽电容，磁珠和电容的参数应根据电路的工作频率来确定。

Claims (4)

1.一种天文用CCD相机的模拟信号处理电路，其特征是：由CCD信号接入电路(1)与缓冲放大器OPA842电路(2)、隔直电容(3)、CCD信号处理器AD9824(4)及其数字接口与控制器件连接而成。

2.根据权利要求1所述的天文用CCD相机的模拟信号处理电路，其特征是：其数字接口与控制器包含由74AC541与电阻网络构成的输出数据缓冲器(5)、由74AC541构成的AFE控制数据缓冲器(6)和由现场可编程器件FPGA构成的CCD和AFE控制与图像数据接收器(7)。

3.根据权利要求2所述的天文用CCD相机的模拟信号处理电路，其特征是：AD9824的数字控制端口通过数据缓冲器74AC541与FPGA相连接，AD9824的CCD图像数据输出端口通过限流电阻网络RN及数据缓冲器74AC541与FPGA相连接，AD9824的其它端口采用CCD模式的连接方式。

4.根据权利要求2或3所述的天文用CCD相机的模拟信号处理电路，其特征是：CCD和AFE控制与图像数据接收器(7)控制的现场可编程器件FPGA通过74AC541数据缓冲器和AD9824的三线串行数字接口SL、SCK和SDATA对AD9824进行工作模式设置。

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