用于天文观测的ccd相机系统的研究

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1、用于天文观测的CCD相机系统的研究

2、第1关键词：CCDCPLD相关双采样控制系统串口通信引言CCD通常分为3个等级；商业级、工程级和科学级。3个级别的要求一级比一级高。衡量CCD的性能主要从以下几个方面：量子效率和响应度、噪声等效功率和探测度，即动态范围和电荷转移效率等。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测，已成为望远镜测必不可少的后端设备。国内各天文台望远镜终端都是从外围引起的成套设备，使用和维护很不方便，并且价格昂贵，因此国内迫切需要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室对这一课题进行了深入研究，广泛调研，认真选取，从芯片开始

3、一直到系统的软硬件设计，搭建了自己的CDD相机系统。1系统设计CCD芯片决定相机系统的性能，为此我们广泛调研，最后选定柯达公司的KAF-0401LE芯片。它动态范围大（70dB），电荷转移效率高（0.99999），波长响应范围宽（0.4μm～1.0μm），低暗电流（在25℃条件下，7pA/cm2），量子效率为35%，并且具有抗饱和性，能够满足科学观测的要求，既可用于光谱分析，又可用于成像观测。系统设计的重点是解决CCD芯片的驱动和系统噪声的问题。我们的设计如下：采用柯达公司的KAF-0401LE芯片作为探测器，Ateml公司的带闪存Flash的89C51作下位机控制器，复杂可编程逻

4、辑作（CPLD）作时序发生和地址译码，采用相关双采样技术降低噪声，自带采样保持的12位A/D转换顺AD1674进行模数转换，扩展8片128Kbit（628128）的RAM作1为帧图像暂存空间，通过RS232与计算机串口通信，接受计算机的控制。整个系统由图1所示几个功能部件组成。1.1时序信号发生电路KAF-0401LE芯片的时序要求：积分期间φV1、φV2保持低电平；行转移期间φH1保持高电平，φH2保持低电平。每行开始φV1的第2个脉冲下降沿后，要有1个行转移建立时间tφHs，读完行后需延迟1个像素时间te才开始下一行φV1脉冲；同样，φV1第2分脉冲下降沿后，开始下一行转移，如

5、此直到读完1帧。复杂可编程逻辑器件（CPLD）以其高度集成、灵活、方便的特点，在电路设计中运用越来越广泛。Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM712SLC84-15具有2500个可用逻辑门，128个宏单元，8个逻辑块，最大时钟可达147.1MHz，带有68个可供用户使用的I/O引脚，PLCC封装，可通过JTAG接口实现在线编程。我们选用EMP7128SLC84-15，通过硬件描述语言（VHDL）在集成开发环境MAXPLUSII下完成逻辑设计；编译后，通过JTAG接口下载到电路板上的EPM7128SLC84-15中，实现了KAF-0401LE芯片的时序要求。MAXPLUSII虽

6、然有很丰富的元件库，但并不是针对某一应用而开发的，具有通用性，调用它固有的元件库可能造成资源的浪费，没有必要。因此我们按照需求，编制了自己的元件库，然后在程序中作为元件调用。在本系统中，仅用1片EPM7128LC84-15就实现了CCD的时序要求、暂存RAM和接口扩展芯片8255的片选和地址译码，既简化耻电路的硬件设计，提高了系统可靠性，又降低了成本。交流时序条件要求如表1所列。表1描述符号最小值正常值最大值φH1、φH2时钟频率/MHzfH　1015φV1、φV2时钟频率/kHzfV　100125周期/nste67100　φH1、φH2建立时间/μstφHS0.51　φV1、φV

7、2脉冲/μstφv45　复位时钟脉宽/nstφR1020　读出时间/mstreadout3450　每行读出时间/μstline65.895.6　1.2双采取、模拟放大电路及A/D变换电路我们采用能够满足高频要求的放大器LF356N设计双采样和模拟放大电路。根据CCD的动态范围选用自带采样保持的12位A/D变换器AD1674作模数转换。双采样原理如图2所示。RSL是CCD复位电平，光信号相当于SGL与RSL的差值，理论上只要分别在RSL和SGL处各采样一次，然后相减便得到信号的值。然而，实际上RSL和SGL并不是理想的水平线，而是存在着低频起伏噪声。为了降低噪声的影响，通常的做法是，

8、分别在RSL和SGL处多次采样求平均，这样对硬件和数据处理软件的要求都很高。我们这里采用了积分型相关双采样技术，如图3所示，CCD信号分别经过同相和反相放大器连到模拟开关输入端。模拟开关S1打开时，RSL通过电容积分;s2打开时，SGL信号经电容积分；s3打开输入端接地，信号保持不变；s4为复位开关。积分放大器的输入、输出关系如下：图2中的积分输出是相关双采样的输出波形图。采样保持后通过A/D进行模数转换，经8255口存在板上的RAM中。1.3电压偏置电路CCD驱动信