RU2102837C1 - Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers - Google Patents
Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2102837C1 RU2102837C1 RU95106085A RU95106085A RU2102837C1 RU 2102837 C1 RU2102837 C1 RU 2102837C1 RU 95106085 A RU95106085 A RU 95106085A RU 95106085 A RU95106085 A RU 95106085A RU 2102837 C1 RU2102837 C1 RU 2102837C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- signal
- samples
- bias
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в фотометрах на базе многоэлементных фотодиодных приемников для повышения точности компенсации темнового сигнала. The invention relates to the field of optoelectronic instrumentation and can be used in photometers based on multi-element photodiode receivers to improve the accuracy of dark signal compensation.
Известны устройства компенсации темнового сигнала многоэлементных фотоприемников [1, 2] производящие компенсацию с помощью предварительного запоминания этого сигнала в памяти ЭВМ и последующего вычитания запомненного сигнала из суммарного программным способом. Общими недостатками данных устройств являются низкая скорость компенсации и ограниченные возможности усиления сигнала до входа аналого-цифрового преобразователя, связанные с увеличением уровня и неоднородности темнового сигнала. Known devices for compensating for the dark signal of multi-element photodetectors [1, 2] compensating by first storing this signal in the computer memory and then subtracting the stored signal from the total programmatically. Common disadvantages of these devices are the low compensation rate and the limited possibilities of amplifying the signal to the input of the analog-to-digital converter, associated with an increase in the level and heterogeneity of the dark signal.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту (прототипом) является устройство с компенсацией темнового шума [3] содержащее линейный ПЗС-фотоприемник, последовательно включенные согласующий и вычитающий усилители, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ОЗУ темнового сигнала, подключенное к ЭВМ, цифроаналоговый преобразователь, информационные входы которого подключены к одноименным выходам ОЗУ, а выход соединен с вторым входом вычитающего усилителя. Компенсация темнового шума осуществляется в два этапа. На первом этапе производится считывание темнового сигнала фотоприемника и запись его отсчетов в ОЗУ при установке на втором входе вычитающего усилителя нулевого напряжения. На втором этапе выполняется считывание суммарного сигнала, при этом на второй вход вычитающего усилителя подается напряжение темнового сигнала с выхода цифроаналогового преобразователя. Для полного использования диапазона АЦП максимальная амплитуда сигнала, на входе вычитающего усилителя должна на величину максимального темнового сигнала превышать верхнюю границу диапазона входных сигналов АЦП. Таким образом, согласующий усилитель должен иметь больший коэффициент усиления, чем тот, который был бы необходим при отсутствии неоднородности темнового сигнала. При фиксированном диапазоне АЦП такое увеличение коэффициента усиления приводит к возрастанию погрешности компенсации темнового сигнала, что является недостатком данного устройства. The closest in technical essence to the claimed object (prototype) is a device with dark noise compensation [3] containing a linear CCD photodetector, sequentially included matching and subtracting amplifiers, analog-to-digital converter (ADC), dark signal RAM connected to a computer, digital-to-analog a converter, the information inputs of which are connected to the RAM outputs of the same name, and the output is connected to the second input of the subtracting amplifier. Dark noise compensation is carried out in two stages. At the first stage, the dark signal of the photodetector is read and its readings are written into RAM when zero-voltage subtractive amplifier is installed at the second input. At the second stage, the total signal is read, and the voltage of the dark signal from the output of the digital-to-analog converter is supplied to the second input of the subtracting amplifier. For full use of the ADC range, the maximum signal amplitude at the input of the subtracting amplifier should exceed the upper limit of the range of the ADC input signals by the value of the maximum dark signal. Thus, the matching amplifier must have a higher gain than that which would be necessary if there were no inhomogeneity of the dark signal. With a fixed ADC range, such an increase in the gain leads to an increase in the compensation error of the dark signal, which is a disadvantage of this device.
Сущность изобретения заключается в том, что для повышения точности компенсации темнового сигнала многоэлементных фотодиодных приемников в устройство компенсации, содержащее многоэлементный фотодиодный приемник (ФДП) с регистрами стирания и считывания сигнала, согласующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ОЗУ компенсирующего сигнала, адресный счетчик и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), согласно изобретению введены вычислительное устройство, блок опроса, первый и второй мультиплексор и второй согласующий усилитель, при этом тактовые входы ФДП соединены с одноименными выходами блока опроса, вход строчного импульса стирания ФДП объединен с первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу строчного импульса стирания блока опроса, вход строчного импульса считывания объединен с первым тактовым входом вычислительного устройства и подключен к выходу строчного импульса считывания блока опроса, а сигнальный выход ФДП соединен с первым входом первого согласующего усилителя, на второй вход которого подается напряжение смещения, выход первого согласующего усилителя соединен с сигнальным входом АЦП, вход запуска которого подключен к первому тактовому выходу блока опроса, а информационные выходы и выход конца преобразования соединены соответственно с информационными входами и вторым тактовым входом вычислительного устройства, первый и второй выходы тактовых импульсов которого подключены к вторым входам ответственно первого и второго мультиплексоров, выход управления подключен к одноименным входам этих же мультиплексоров и входу записи ОЗУ, а информационные выходы вычислительного устройства соединены с одноименными входами ОЗУ, первый вход первого мультиплексора подключен к второму тактовому выходу блока опроса, а выходы первого и второго мультиплексоров соединены соответственно с тактовым входом и входом сброса адресного счетчика, выходы которого подключены к адресным входам ОЗУ, информационные выходы ОЗУ соединены с одноименными входами ЦАП, выход которого подключен к первому входу второго согласующего усилителя, на второй вход второго согласующего усилителя подано начальное напряжение смещения, а его выход соединен с входом опорного напряжения смещения ФДП. The essence of the invention lies in the fact that to increase the accuracy of the compensation of the dark signal of multi-element photodiode receivers in a compensation device containing a multi-element photodiode receiver (PDP) with erasure and read registers, matching amplifier, analog-to-digital converter (ADC), RAM compensation signal, address a counter and a digital-to-analog converter (DAC), according to the invention, a computing device, a polling unit, a first and second multiplexer and a second matching amplifier are introduced In this case, the PDP clock inputs are connected to the outputs of the polling unit of the same name, the input of the PDP erase line pulse is combined with the first input of the second multiplexer and connected to the output of the polling unit erase line pulse, the line input of the read pulse is combined with the first clock input of the computing device and connected to the output the horizontal pulse of reading the polling unit, and the signal output of the PDP is connected to the first input of the first matching amplifier, the second input of which is supplied with a bias voltage, the output of the first the matching amplifier is connected to the ADC signal input, the start input of which is connected to the first clock output of the polling unit, and the information outputs and the output of the conversion end are connected respectively to the information inputs and the second clock input of the computing device, the first and second outputs of the clock pulses of which are connected to the second inputs the first and second multiplexers, the control output is connected to the inputs of the same multiplexers of the same name and the RAM write input, and the information outputs are calculated The device is connected to the RAM inputs of the same name, the first input of the first multiplexer is connected to the second clock output of the polling unit, and the outputs of the first and second multiplexers are connected respectively to the clock input and reset input of the address counter, the outputs of which are connected to the address inputs of RAM, the information outputs of RAM are connected to the DAC inputs of the same name, the output of which is connected to the first input of the second matching amplifier, the initial bias voltage is applied to the second input of the second matching amplifier, and its output is connected to the input of the reference voltage bias PDP.
Перечисленные признаки обеспечивают решение поставленной задачи. These signs provide a solution to the problem.
В электронике известны функциональные элементы, введенные в схему устройства компенсации темнового сигнала многоэлементного ФДП, однако наличие новых связей между ними обусловило появление у предлагаемого устройства по отношению к прототипу нового качества повышения точности компенсации темнового сигнала. Это качество не является результатом суммирования положительных эффектов, достигаемых от введения новых элементов или использования готовых технических решений, и достигается именно за счет наличия между элементами новых связей. Поскольку среди известных технических решений не выявлено решений со сходными признаками (совокупность элементов и связей между ними), которые бы решали ту же задачу тем же путем (т.е. считыванием двух массивов отсчетов темнового сигнала ФДП, полученных при установке начального и среднего от диапазона изменения напряжения смещения всех чувствительных элементов приемника, расчетом и установкой индивидуальных значений смещения, вводящих темновой сигнал всех элементов при повторном считывании на уровень, близкий к нижнему уровню диапазона входных сигналов АЦП, окончательной компенсацией темнового сигнала за счет уточняющего расчета оптимального напряжения смещения каждого элемента по двум массивам темнового сигнала, один из которых состоит из выровненных на предыдущем этапе отсчетов этого сигнала, а второй содержит отсчеты, полученные при записи в ОЗУ начального напряжения смещения), заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". In electronics, functional elements are known that are introduced into the circuit of a device for compensating the dark signal of a multi-element PDF, however, the presence of new connections between them led to the appearance of the proposed device with respect to the prototype of a new quality of increasing the accuracy of compensation of the dark signal. This quality is not the result of summing up the positive effects achieved by introducing new elements or using off-the-shelf technical solutions, and is achieved precisely due to the presence of new connections between the elements. Since among the known technical solutions there are no solutions with similar features (a set of elements and connections between them) that would solve the same problem in the same way (i.e., by reading two arrays of samples of the dark PDF signal obtained by setting the initial and average from the range changing the bias voltage of all sensitive elements of the receiver, by calculating and setting individual bias values, introducing a dark signal of all elements upon repeated reading to a level close to the lower level of the range and the input signals of the ADC, the final compensation of the dark signal due to the refinement calculation of the optimal bias voltage of each element in two arrays of dark signal, one of which consists of samples of this signal aligned at the previous stage, and the second contains samples obtained when the initial bias voltage is written in RAM ), the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства компенсации; на фиг. 2 функциональная схема многоэлементного фотодиодного приемника; на фиг. 3 принципиальная схем его чувствительного элемента; на фиг. 4 возможная схема блока опроса; на фиг. 5 возможная схема вычислительного устройства. In FIG. 1 shows a functional diagram of a compensation device; in FIG. 2 is a functional diagram of a multi-element photodiode receiver; in FIG. 3 schematic diagrams of its sensitive element; in FIG. 4 possible block diagram of the survey; in FIG. 5 is a possible diagram of a computing device.
Предлагаемое устройство компенсации (фиг. 1) содержит многоэлементный фотодиодный приемник (ФДП) 1, первый согласующий усилитель 2, АЦП 3, вычислительное устройство (ВУ)4, блок опроса 5, первый 6 и второй 7 мультиплексоры, адресный счетчик 8, ОЗУ 9, ЦАП 10 и второй согласующий усилитель 11. При этом тактовые входы ФДП 1 соединены с одноименными выходами 12 блока опроса 5, вход строчного импульса стирания ФДП 1 объединен с первым входом второго мультиплексора 7 и подключен к выходу 13 строчного импульса стирания блока опроса 5, а вход строчного импульса считывания ФДП 1 объединен с первым тактовым входом вычислительного устройства и соединен с выходом 14 блока опроса 5. Выход ФДП 1 подключен к первому входу первого согласующего усилителя 2, на второй вход которого подано напряжение смещения. Выход первого согласующего усилителя 2 соединен с сигнальным входом АЦП 2. Вход запуска АЦП 3 подключен к первому тактовому выходу 15 блока опроса 5, а информационные выходы и выход конца преобразования соединены соответственно с информационными входами 18 и вторым тактовым входом 17 вычислительного устройства 4. Первый 19 и второй 20 выходы тактовых импульсов ВУ 4 подключены в порядка перечисления к вторым входам первого и второго мультиплексоров 6, 7, а выход 21 управления ВУ 4 соединен с одноименными входами этих же мультиплексоров и входом записи ОЗУ 9. Первый вход первого мультиплексора 6 соединен с вторым тактовым выходом 16 блока опроса 5. Выходы первого и второго мультиплексоров 6, 7 подключены соответственно к тактовому входу и входу сброса адресного счетчика 8, выходы которого соединены с адресными входами ОЗУ 9. Информационные входы ЦАП 10 подключены к одноименным выходам ОЗУ 9, а его выход соединен с первым входом второго согласующего усилителя 11. На второй вход второго согласующего усилителя 11 подается начальное напряжение смещения, а его выход соединен с входом опорного напряжения смещения ФДП 1. The proposed compensation device (Fig. 1) contains a multi-element photodiode receiver (PDP) 1, the
Возможная элементная база устройства компенсации: фотодиодный приемник ФДП ДД1 ФУНК1Л2 с числом элементов 1024 [4] АЦП 3 К1108ПВ2 [5] время преобразования 2 мкс, число разрядов 12, мультиплексоры 6, 7 К555КП11, адресный счетчик 8 К555ИЕ10, ОЗУ 9 К537РУ10 емкостью 2 кбайт, ЦАП 10 - К1108ПА1 [5] время преобразования 0,4 мкс, число разрядов 12, первый и второй согласующие усилители 2 и 11 могут быть выполнены на базе операционных усилителей типа 544УД2. Блок опроса 5, возможная схема которого приведена на фиг. 4, может быть выполнен с использованием логических микросхем серии 555 или 561. Possible element base of the compensation device: photodiode receiver FDP DD1 FUNK1L2 with the number of elements 1024 [4] ADC 3 K1108PV2 [5]
На фиг. 2 приведена структурная схема ФДП 1, а на фиг. 3 принципиальная схема его чувствительной ячейки. ФДП 1 содержит (фиг. 2) регистр стирания 23 и регистр считывания 24 сигнала, управляемые тактовыми импульсами 12 и строчными импульсами 13 стирания и 14 считывания, а также набор фоточувствительных ячеек, коммутируемых этими регистрами. При коммутации ячейки регистром стирания (фиг. 3) открывается транзистор UT1 и заряжает емкость обратносмещенного фотодиода UD до напряжения Eсм. После запирания транзистора UT1 напряжение на фотодиоде уменьшается пропорционально освещенности и времени накопления. После окончания интервала накопления с помощью регистра считывания 24 производится последовательное подключение ячеек к выходу ФДП 1. В схеме ячейки такое подключение осуществляется с помощью транзистора UT3 при подаче на его вход положительного напряжения с выхода регистра считывания 24. При отсутствии освещенности на выходе ФДП 1 считывается темновой сигнал, который зависит от начального напряжения смещения фотодиода UD и является неоднородным по уровню вследствие разброса пороговых напряжений транзисторов UT2 и термогенерированных сигналов фотодиодов. Зависимость темнового сигнала от напряжения смещения при изменении последнего в диапазоне 5-8 В является линейной [6] однако параметры этой линейной зависимости крутизна и начальное напряжение, индивидуальны для каждого элемента ФДП 1. Таким образом, для темновых сигналов элементов ФДП 1 можно записать следующее соотношение
Uт.[I] K[I] • Eсм.[I] + Uт.о.[I]
где Uт.[I] темновой сигнал I-го элемента,
Uт.о.[I] начальное напряжение темнового сигнала,
Eсм.[I] напряжение смещения I-го элемента,
K[I] крутизна передаточной характеристики I-го элемента.In FIG. 2 shows a structural diagram of the
U t. [I] K [I] • E see [I] + U so [I]
where U t. [I] the dark signal of the I-th element,
U so [I] the initial voltage of the dark signal,
E see [I] the bias voltage of the I-th element,
K [I] the steepness of the transfer characteristic of the I-th element.
Возможная схема выполнения ВУ 4 на базе микроЭВМ типа ДВК-3 приведена на фиг. 5 (типовые блоки ЭВМ процессор, стандартные периферийные платы и устройства на фиг. 5 не показаны). В состав ВУ 4 входят шинные приемопередатчики 32, дешифраторы управляющих сигналов ввода-вывода 33, 34, регистр управляющих сигналов 35, триггеры формирования импульсов записи 36, 38, мультиплексор управляющих сигналов 40, адресный счетчик 41, буферное ОЗУ 42 и логические элементы 37, 39. При этом выходы шинных приемопередатчиков 32 подключены к входам дешифраторов 33, 34 и регистра 35 управляющих сигналов и одновременно являются информационными выходами 22 ВУ 4. Дешифратор 33 формирует импульс записи информации в регистр 35, импульс 31 сброса адресного счетчика и тактовые импульсы на выходах 19, 20 ВУ 4. Дешифратор 34 формирует импульс считывания состояния флага ОЗУ с выхода триггера 38 и импульс I2 считывания данных из ОЗУ 42. Регистр 35 служит для формирования управляющего сигнала разрешения записи данных в ОЗУ 42 и сигнала управления на выходе 21 ВУ 4. Триггеры 36, 38 вместе с элементом И-НЕ 37 используются для формирования импульса записи информации в ОЗУ 42 при наличии сигнала разрешения с выхода регистра 35 и при поступлении строчного импульса считывания на первый тактовый вход 14 ВУ 4. Адресный счетчик 41 служит для формирования текущего адреса записываемого или считываемого отсчета сигнала и сигнала переполнения счетчика. Элементная база ВУ3: К589АП26 шинные приемопередачтики 32, К537РУ10 ОЗУ 42, все остальные элементы могут быть выполнены на базе функциональных устройств, входящих в состав микросхем 555 серии.A possible implementation diagram of a
Таким образом, входящие в состав устройства компенсации элементы выпускаются промышленностью в виде готовых микросхем либо образуются из них с помощью стандартных схемотехнических решений в соответствии с функциональным назначением элементов и описанием работы устройства. Thus, the elements included in the compensation device are produced by industry in the form of ready-made microcircuits or are formed from them using standard circuitry solutions in accordance with the functional purpose of the elements and a description of the operation of the device.
Устройство компенсации работает следующим образом. The compensation device operates as follows.
Перед использованием устройства компенсации после его изготовления или комплектации новым фотодиодным приемником производится регулировка коэффициента усиления и начального смещения первого и второго согласующих усилителей 2, 11. Цепи регулировки коэффициента усиления согласующих усилителей на фиг. 1 не показаны, поскольку они играют вспомогательную роль. Для регулировки параметров в ОЗУ 9 из ВУ 4 записываются отсчеты, соответствующие среднему уровню диапазона изменения этих отсчетов. Регулировкой напряжения Uн на втором входе второго согласующего усилителя 11 напряжение смещения Eсм. на выходе этого усилителя выводится на средний уровень возможного диапазона его изменения, т. е. в область 6-7 В [4] В согласующем усилителе 2 устанавливаются требуемый коэффициент усиления и уровень начального смещения Uсм.о., при котором минимальное значение темнового сигнала на заданное значение превышает нижний уровень входных сигналов АЦП 3. Для регулировки коэффициента усиления второго согласующего усилителя 11 в ОЗУ 9 из ВУ 4 записываются отсчеты максимального смещения, при котором отсчеты считываемого темнового сигнала на выходе первого согласующего усилителя 2 с учетом его инверсного включения будут принимать минимальные значения. Регулировка коэффициента усиления согласующего усилителя 11 производится таким образом, чтобы уровень максимального отсчета темнового сигнала ФДП 1 не превышал нижний уровень входных сигналов АЦП 3. Для устранения погрешности дискретизации напряжения смещения Eсм. разрядность ЦАП 10 должна выбираться таким образом, чтобы после описанной регулировки напряжение единицы младшего разряда АЦП 3 превышало напряжение единицы младшего разряда ЦАП 10, пересчитанное к входу АЦП, в 2-3 раза.Before using the compensation device after it is manufactured or equipped with a new photodiode receiver, the gain and initial bias of the first and
Для записи отсчетов напряжения смещения в ОЗУ 9 ВУ 4 с помощью регистра 35 (фиг. 5) путем формирования на выходе управления 21 напряжения низкого уровня переводит ОЗУ 9 (фиг. 1) в режим записи, а мультиплексоры 6, 7 в режим управления от ВУ 4. Запись отсчетов напряжения смещения в ОЗУ 9 производится по информационным выходам 22 ВУ 4 с помощью подачи на вход адресного счетчика 8 через первый мультиплексор 6 импульсов с первого выхода тактовых импульсов 19 ВУ 4. Число тактовых импульсов равно числу элементов ФДП 1. Предварительно адресный счетчик 8 устанавливается в исходное состояние импульсом с второго тактового выхода 20 ВУ 4, проходящим через второй мультиплексор 7. После окончания интервала записи отсчетов напряжения в ОЗУ 9 разрешается считывание сигнала из ФДП 1 и запись его остчетов в ОЗУ 42 ВУ 4. To record bias voltage samples in the RAM 9 of the
В исходном состоянии триггер 36 ВУ 4 сигналом низкого уровня с выхода регистра 35 установлен в нулевое состояние. Для разрешения записи отсчетов темнового сигнала высоким уровнем сигнала с первого выхода регистра 35 снимается блокировка триггера 36 ВУ 4. Первым приходящим импульсом с первого тактового входа 14 ВУ 4 триггер 36 переключается в единичное состояние и разрешает прохождение этого импульса через элемент 2И-НЕ 37 на вход сброса триггера 38. Установка триггера 38 в нулевое состояние переводит ОЗУ 42 в режим записи, а мультиплексор 40 переключает на передачу сигналов с вторых входов. Одновременно импульсом с выхода элемента 2И-НЕ 37, проходящим через мультиплексор 40, адресный счетчик 41 устанавливается в нулевое состояние. Поступающие после этого на второй тактовый вход 17 импульсы с выхода конца преобразования АЦП передаются на тактовый вход адресного счетчика 41 и на вход выборки ОЗУ 42. Подача импульсов на перечисленные элементы обеспечивает запись отсчетов темнового сигнала, поступающих по информационным входам 18, в последовательно адресуемые ячейки ОЗУ 42. После записи числа отсчетов, равного числу элементов ФДП 1, на выходе переполнения адресного счетчика 41 формируется импульс, устанавливающий триггер 38 в единичное состояние. При этом ОЗУ 42 переключается в режим хранения, а мультиплексор на передачу сигналов с первых входов. Изменение состояния триггера 38 определяется ЭВМ, входящей в состав ВУ 4, с помощью программного опроса входа элемента 2И 39. In the initial state, the
Для исключения искажений вводимого сигнала за счет несинхронности переключения сигнала управления и формирования строчных импульсов блока опроса описанная процедура ввода в случае обращения к ней после переключения сигнала управления производится дважды. После повторного обнаружения изменения состояния триггера 38 ЭВМ ВУ 4 производит считывание и обработку отсчетов темнового сигнала в соответствии с алгоритмом компенсации. Перед началом считывания импульсом 31 адресный счетчик 41 устанавливается в исходное состояние. Считывание отсчетов из ОЗУ 42 осуществляется с помощью импульсов 32. To eliminate distortions of the input signal due to the non-synchronization of switching the control signal and the formation of the horizontal pulses of the polling unit, the described input procedure is performed twice after switching the control signal after switching. After the re-detection of a change in the state of the trigger 38, the
При рассмотрении процедуры компенсации темнового сигнала необходимо учитывать, что сигнал ФДП 1 после прохождения первого согласующего усилителя инвертируется и темновой сигнал с увеличением напряжения смещения будет уменьшаться. Таким образом, минимальному варьируемому напряжению смещения на выходе ЦАП 10 будет соответствовать максимальный темновой сигнал и наоборот. На первом этапе компенсации темнового сигнала производится запись в ОЗУ 9 двух тестовых отсчетов напряжения смещения минимального Eсм.1 0 и Eсм2 Eсм.макс./2 и считывание двух соответствующим этим отсчетам массивов темнового сигнала UT1[I] и UT2[I] По данным параметрам ВУ 4, опираясь на линейный характер зависимости темнового сигнала от напряжения смещения (1), производит расчет массива отсчетов напряжения смещения каждого элемента ФДП 1, при котором их темновой сигнал на входе АЦП 3 будет на заданное значение U0 превышать нижний уровень входных напряжений этого АЦП. Расчет производится по следующей формуле
где EСм.2, Eсм.[I] тестовое и расчетное напряжения смещения,
UT1[I] UT2[I] напряжения тестовых темновых сигналов,
U0 расчетное напряжение темнового сигнала.When considering the dark signal compensation procedure, it is necessary to take into account that the
where E See 2 , E see [I] test and calculated bias voltage,
UT 1 [I] UT 2 [I] voltage of the test dark signals,
U 0 is the calculated voltage of the dark signal.
Рассчитанный массив отсчетов вводится в ОЗУ 9 описанным выше способом, после чего считывается соответствующий ему массив предварительно выровненных отсчетов темнового сигнала UT3[I]
Рассмотренная выше задача расчета смещения, исходя из условия достижения заданного уровня сигнала, по своей сути относится к классу задач экстраполяции, когда по двум отсчетам сигнала, измеренным с определенной погрешностью при заданных значениях аргументов, определяется величина сигнала для аргумента, выходящего за диапазон изменения первых двух. При этом в общем случае должны быть оценены коэффициенты K[I] и Uт.о. зависимости (1), а затем с их помощью может быть произведен расчет необходимого смещения. Указанные коэффициенты рассчитываются следующим образом:
Подстановка оценок коэффициентов (3) в выражение (1) и замена Uт U0 позволяет рассчитать напряжение смещения Eсм.[I] необходимое для достижения требуемого уровня темнового сигнала
При Eсм.1 0 выражение (4) переходит в выражение (2). Расчет погрешности экстраполяции по формуле (2) может быть выполнен, исходя из правил расчета погрешности косвенных измерений [8]
где σE, σИ среднеквадратичные значения погрешности измерения амплитуды сигнала и расчета смещения.The calculated array of samples is entered into RAM 9 as described above, after which the corresponding array of pre-aligned samples of the dark signal UT 3 [I] is read.
The problem of calculating the displacement considered above, based on the conditions for achieving a given signal level, inherently refers to the class of extrapolation problems, when two signal samples measured with a certain error for given values of the arguments determine the signal value for the argument that falls outside the range of the first two . Moreover, in the general case, the coefficients K [I] and U should be estimated . dependences (1), and then with their help, the necessary bias can be calculated. The indicated coefficients are calculated as follows:
Substituting the estimates of the coefficients (3) in the expression (1) and replacing U t U 0 allows you to calculate the bias voltage E see [I] necessary to achieve the desired level of the dark signal
When E see 110, expression (4) goes over to expression (2). The calculation of the extrapolation error by the formula (2) can be performed based on the rules for calculating the error of indirect measurements [8]
where σ E , σ And the root mean square values of the error in measuring the signal amplitude and calculating the bias.
Из выражения (5) с учетом линейной связи смещения и напряжения темнового сигнала может быть получено выражение для расчета погрешности экстраполяции амплитуды
При Uo≃ 0 из выражения (6) следует, что погрешность экстраполяции темнового сигнала при поэлементном изменении его уровня UT2[I] от минимального до максимального будет изменяться от σИ до 2,3 σИ Таким образом, для исключения попадания отсчетов массива UT3[I] в область за границу нижнего уровня входного напряжения АЦП величина U0 должна превышать максимальную погрешность измерения амплитуды сигнала более чем в два-три раза. С учетом соотношения между максимальным и среднеквадратичным значениями нормально распределенной погрешности можно записать следующее условие выбора U0:
Uo> (6-9)•σИ (7)
Наличие массива отсчетов темнового сигнала UT3[I] с минимальным уровнем и массива UT1[I] с максимальным уровнем позволяет с минимальной и практически равной для всех элементов ФДП 1 погрешностью рассчитать значения напряжений смещения этих элементов, при которых среднее значение их темновых сигналов будет находиться на уровне нижнего диапазона сигналов АЦП
где EСм.о.[I] напряжение смещения, при котором темновой сигнал элемента находится на уровне нижней границы диапазона АЦП.From expression (5), taking into account the linear relationship between the bias and voltage of the dark signal, an expression can be obtained for calculating the error of amplitude extrapolation
When U o ≃ 0, it follows from expression (6) that the error of extrapolating the dark signal when the level of its level UT 2 [I] is element by element changes from minimum to maximum will vary from σ AND to 2.3 σ AND Thus, to exclude the occurrence of array readings UT 3 [I] into the region beyond the boundary of the lower level of the ADC input voltage, the value of U 0 must exceed the maximum error of measuring the signal amplitude by more than two to three times. Given the relationship between the maximum and mean square values of the normally distributed error, we can write the following selection condition U 0 :
U o > (6-9) • σ И (7)
The presence of an array of samples of the dark signal UT 3 [I] with a minimum level and an array of UT 1 [I] with a maximum level makes it possible to calculate the bias voltages of these elements with a minimum and almost equal error for all
where E see [I] the bias voltage at which the dark signal of the element is at the lower end of the ADC range.
При этом, поскольку уровень отсчетов UT3[I] близок к нулевому экстраполируемому уровню, погрешность экстраполяции сигнала в соответствии с выражением (6) будет равна погрешности измерения амплитуды сигнала. После записи рассчитанного по формуле (8) массива отсчетов Eсм.о.[I] в ОЗУ 9 отсчеты считываемого темнового сигнала ФДП 1 будет иметь одинаковые значения. Равенство амплитуд отсчетов считываемого темнового сигнала обеспечивается подачей во время стирания сигнала переменного напряжения смещения, причем переменная компонента напряжения смещения с точностью до масштаба изменяется инверсно собственному темновому сигналу ФДП 1. Выбором напряжения смещения Uсм.о на втором входе первого согласующего усилителя 2 и расчетом напряжения смещения по формуле (8) достигается равенство постоянного уровня темнового сигнала и нижнего уровня входных сигналов АЦП, вследствие чего уровень темнового сигнала в цифровой форме на выходе АЦП с точностью до погрешности расчета и квантования будет равен нулю. При этом результирующая погрешность компенсации темнового сигнала будет зависеть от уровня шума так же, как и в случае аппаратного вычитания темнового сигнала, реализованного в прототипе, т. е. увеличиваться в 1,4 раза относительно исходной погрешности измерения сигнала, однако возможность меньшего усиления сигнала, обеспечиваемая в предлагаемом устройстве, позволяет в такой же степени уменьшить величину шума, а значит и повысить точность компенсации темнового сигнала, т.е. обеспечить решение поставленной задачи.Moreover, since the level of samples UT 3 [I] is close to the extrapolated zero level, the error of signal extrapolation in accordance with expression (6) will be equal to the error in measuring the signal amplitude. After recording the array of samples E calculated according to formula (8), see [I] in RAM 9, the samples of the read dark signal of the
Таким образом, из описания работы устройства компенсации темнового сигнала многоэлементного фотодиодного приемника следует, что поставленная при разработке этого устройства задача повышения точности компенсации решена в нем за счет введения новых устройств и установления новых связей между ними. Введение вычислительного устройства 4 позволяет произвести запись тестовых напряжений смещения, расчет и запись индивидуальных напряжений смещения, с помощью которых выполняется предварительное выравнивание темнового сигнала, а также расчет и запись окончательных компенсирующих напряжений смещения. Первый и второй мультиплексоры 6, 7 введены для обеспечения записи из ВУ 4 в ОЗУ 10 отсчетов напряжения смещения. Второй согласующий усилитель 11 введен для формирования опорного напряжения смещения ФДП 1, состоящего из постоянного напряжения смещения и переменного корректирующего напряжения, подаваемого с выхода ЦАП 10. Блок опроса введен для обеспечения работы ФДП 1 и синхронизации работы элементов устройства компенсации, в частности работы ФДП 1 и ОЗУ 9. Новым в предлагаемом устройстве является связь между выходом второго согласующего усилителя и входом опорного напряжения смещения фотодиодного приемника, позволившая подавать переменное и определенным образом рассчитанное корректирующее напряжение не в тракт прохождения считываемого сигнала, как это имело место в прототипе, а в тракт подачи смещения фотодиодов, что и обеспечивало решение поставленной задачи. Thus, from the description of the operation of the dark signal compensation device of a multi-element photodiode detector, it follows that the task of developing this device to improve the accuracy of compensation was solved in it by introducing new devices and establishing new connections between them. The introduction of
Литература
1. Иванов В. В. Блок управления линейным формирователем сигналов изображения на приборах с зарядовой связью, сопряженный с ЭВМ. "Электроника-60". ПТЭ, 1986, N 5, с. 63.Literature
1. Ivanov V.V. Control unit of a linear driver of image signals on devices with charge coupling coupled to a computer. "Electronics-60". PTE, 1986,
2. Арутюнов В. А. Горбачев С.Ф. Демин А.П. Нагулин Ю.С. Оптикомеханическая промышленность, 1986, N 1, с. 34. 2. Arutyunov V. A. Gorbachev S. F. Demin A.P. Nagulin Yu.S. Optomechanical Industry, 1986,
3. Демин А.П. Многоканальная система регистрации оптического излучения с компенсацией темнового шумаПТЭ, 1988, N 6, с. 150-154. 3. Demin A.P. Multichannel system for recording optical radiation with dark noise compensation PTE, 1988, N 6, p. 150-154.
4. Устройство фотоприемное ФУК1Л1, ФУК1Л2. Этикетка предприятия-изготовителя. 4. Photodetector device FUK1L1, FUK1L2. Label of the manufacturer.
5. Федорков Б. Г. Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры. М. Энергоатомиздат, 1990. 5. Fedorkov B. G. Telets V.A. DAC and ADC chips: operation, parameters. M. Energoatomizdat, 1990.
6. Десятков В.Г. Магденко С.В. Финогенов Л.В. Работа интегральной линейки фотоприемников в качестве устройства задержки аналоговых сигналов. Автометрия, 1987, N 5, с. 38-46. 6. Desyatkov V.G. Magdenko S.V. Finogenov L.V. The work of the integrated line of photodetectors as a delay device for analog signals. Autometry, 1987,
7. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. М. Радио и связь, 1993, с. 320. 7. Dvoryashin B.V. Fundamentals of metrology and radio measurements. M. Radio and Communications, 1993, p. 320.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95106085A RU2102837C1 (en) | 1995-04-18 | 1995-04-18 | Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU95106085A RU2102837C1 (en) | 1995-04-18 | 1995-04-18 | Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU95106085A RU95106085A (en) | 1997-01-20 |
RU2102837C1 true RU2102837C1 (en) | 1998-01-20 |
Family
ID=20166899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU95106085A RU2102837C1 (en) | 1995-04-18 | 1995-04-18 | Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2102837C1 (en) |
-
1995
- 1995-04-18 RU RU95106085A patent/RU2102837C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Приборы и техника эксперимента, 1988, N 6, с. 150 - 154. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU95106085A (en) | 1997-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4032975A (en) | Detector array gain compensation | |
US4630121A (en) | Automatic focus detecting circuit | |
US6750910B1 (en) | Optical black and offset correction in CCD signal processing | |
US3949162A (en) | Detector array fixed-pattern noise compensation | |
US6667769B2 (en) | Time integrating pixel sensor | |
AU597778B2 (en) | Analog offset compensation technique | |
US20030001080A1 (en) | Time domain sensing technique and system architecture for image sensor | |
KR101927327B1 (en) | Dynamic range extension for cmos image sensors for mobile applications | |
US8130294B2 (en) | Imaging array with non-linear light response | |
CN112640440A (en) | Imaging method, imaging device, movable platform and electronic equipment | |
GB2314227A (en) | Calibration system for imaging devices | |
US20090021623A1 (en) | Systems, methods and devices for a CMOS imager having a pixel output clamp | |
RU2102837C1 (en) | Device for compensation of shadow signal from multiple-element photodiode receivers | |
US8045030B2 (en) | Imaging device, and control method for solid imaging element | |
EP0835586B1 (en) | Digital offset corrector for microbolometer array | |
CN111623891B (en) | Temperature drift correction circuit and correction method | |
JPH0213493B2 (en) | ||
EP0870330B1 (en) | Bolometric focal plane array | |
CN112188127B (en) | Method, device, medium and equipment for calibrating integral pixel array detector | |
RU2108685C1 (en) | Device compensating for difference in sensitivity of elements of matrix of photodetectors | |
RU2417436C1 (en) | Multi-element photo transducer and image recorder | |
CN112180422B (en) | Preamplifier, pixel unit circuit and pixel array detector | |
RU2065669C1 (en) | Photodetector device which compensates variations in characteristics of photo sensitive elements | |
RU2407213C1 (en) | Image forming device | |
SU1696859A1 (en) | Optic information recording device |