ccd信号处理电路
红外CCD 信号处理电路的设计
摘 要:由于红外CCD 的输出为高背景、宽动态范围的信号,所以在该信号的处理电路中,去除直流高背景和自动增益对于滤除背景噪声、提取目标信号必不可少. 通过分析红外CCD 信号处理电路的设计要求,介绍了应用于该信号处理的几种常用电路的设计方法. 最后,着重阐述了基于CPLD(复杂可编程逻辑器件) 和VSP3010 的CCD 信号处理电路的一体化设计方法.
关键词:红外CCD ;电路设计;增益控制;信号处理;CPLD
红外CCD 与可见光CCD 在成像原理上是一样的,但红外CCD 接受的是红外辐射,它的输
出信号与可见光CCD 相比具有一定的差异. 一般说来,红外CCD 输出的是高背景、低反差的信号,其动态范围比较宽,信噪比比较低[1 ] . 在信号放大时若不将背景噪声去掉,放大器将把信号和背景噪声同时放大,因而造成放大器饱和. 若直接用隔直耦合电容去除直流高背景噪声,在信号相对于背景噪声非常微弱时,由于电容具有积分特性,使用隔直耦合电容会对信号产生影响. 另外,CCD 输出信号不能看作高频周期信号,因而对周期信号所采取的处理方法也无法使用. 因此,在红外CCD 信号处理电路中,需要设计去除高背景直流分量的专用电路. 当红外CCD 成像跟踪系统距离目标很远时,CCD 接收到的红外辐射非常小,产生的信号也很小. 当成像跟踪系统距离目标很近时,CCD 接收到的红外辐射非常强,其信号强度往往要增大几十倍、几百倍,甚至几千倍. 对于这一大动态范围的信号输入,其放大电路的放大倍数应当自动可调,不能固定不变. 因此,在红外CCD 信号处理电路中,需要设计自动增益放大电路.
1 去除直流(高背景) 的电路设计
去除直流(高背景) 的电路原理框图可如图1 所示. 其设计思想是:红外成像跟踪系统在目标跟踪过程中,不断输出采集的数据. CPU 对前一帧采集的数据进行处理,找出直流分量的大小,按一定比例(该比例取决于电路的放大倍数) 转换成相应的数据,在下一帧起始信号到来时,CPU 将该数据输出并锁存到并行口上,经过D/A 转换和放大变成一定的直流分量,加到差分放大器的反相端,以此抵消下一帧信号的直流分量. 这是因为成像跟踪过程中,相邻两帧图像发生突变的可能性不大,可以用前一帧的直流分量为下一帧提供参考.
该电路与恒流源负载电平移动电路(消除固定直流分量) 相比,其优点是:能够根据CCD 的
输出自动调整差分放大器反相端的直流分量.
2 增益控制电路的设计
增益控制电路的目的是使放大倍数可调,以适应不同信号强度的放大要求. 此电路的设计常用多量程方式、数字电位器方式和可编程增益放大器方式.
2. 1 多量程方式
多量程方式通常借助电子开关来实现,其电路原理框图如图2 所示. CCD 信号经放大器后进入A/ D , 将A/ D 输出的最高三位输入到CPLD(复杂可编程逻辑器件) 并锁存. 在一帧数据采样输入期间,锁存的数据与输入的数据不断比较,在CPLD 中锁存的总是最大三位数. 在下一帧数据输入开始时,CPLD 根据锁存的三位数,自动选择放大倍数,输出控制信号,使相应的电子开关打开或闭合,改变放大器的反馈电阻,达到增大或减小放大倍数的目的. Fs 是帧信号,它使得CPLD 只在每一帧的开始时改变放大倍数,也就是说在一帧数据采集期间,放大倍数不能改变.
若A/ D 为16 位,则CPLD 对D15 、D14 、D13进行比较并锁存最大值. CPLD 自动选择放大倍数的编程思想是:若D15 、D14 、D13 中有两个为1 ,说明输入信号较强,将放大倍数减小一倍;若D15 、D14 同时为0 ,则说明输入信号较小,将放大倍数增大一倍.
2. 2 数字电位器方式
图3 (a) 所示的是100 K数字电位器的工作原理示意图[2 ] ,其内部结构好像是100 个1 K的电阻串联,CL K 信号的脉冲个数决定滑动端P的移动次数,滑动端P 每次移动以1 K为单位,D/ U 信号控制滑动端P 的移动方向(向下或向上) .
图3 (b) 所示的是使用数字电位器的增益控制电路示意图,CPLD 的作用和编程思想与多量程方式的增益控制电路相同,只是输出信号有所不同而已. 使用这种电路容易实现多档位的增益控制,可应用在要求放大倍数可调比较多的电路中.
2. 3 可编程增益放大器方式
该方式是直接采用现有的可编程增益放大器集成电路来实现增益控制,其电路原理框图如图4 所示. 这方面的IC 有: PGA103 、PGA204 、AD526 、AD620 、THS7001 等,其增益控制都只有固定的几档. 有的放大倍数是1 、2 、4 、8 、16 倍;有的放大倍数是1 、10 、100 、1000 倍. 增益设置方式有:电阻设置法、引脚设置法、软件设置法. CPLD的作用和编程思想与前面介绍的两种增益控制电路相同.
由电子电路理论可知:放大电路的带宽与放大倍数的乘积是一个常数. 电路中放大倍数的改变必然会使电路的带宽减小. 所以,一定要根据电路需要的最小带宽和可能调节的最大放大倍数,来选择宽带放大器,以确保电路增益自动控制时,电路的带宽满足信号处理的需要.
3 使用专用集成电路进行CCD 信号处理电路的设计
3. 1 CCD 信号处理电路的专用芯片VSP3010
VSP3010 是Burr - Brown 公司生产的用于CCD 信号处理的专用集成芯片之一,它有1 通道或3 通道的信号处理能力. 每一通道都有信号采样、黑电平(背景直流) 调整和可编程增益放大,然后经多路选择器进入采样速率为12 MHz的12 位的A/ D. 其单通道信号流程处理电路结构框图如图5 所示.
图6 为简化的VSP3010 输入等效电路.V CLAM P是箝位电压,不论输入信号的直流分量多大,都将箝位到同一个电平上,以此去除信号中的背景直流分量. 另外,在驱动脉冲CK1 和CK2 的作用下,相关双采样是对CCD 的每个单元输出信号进行两次采样,两次采样结果相减,可去除CCD 像元移位输出中的残留电荷对信号的影响.
VSP3010 的各种工作模式都由命令字来配置. 片内有7 个寄存器:1 个配置寄存器(7 位) 、3个通道补偿寄存器(8 位) 和3 个通道增益寄存器(5 位) . 一旦设置好寄存,VSP3010 就能正常工作. 其中,通道增益寄存器控制各通道宽带放大器的增益,增益计算公式为: A V = 4/ (4 - 0.1 X) ,其中X 为5 位二进制数(0～31) . 向通道增益寄存器写入不同的X , 则放大器的增益不一样,以此实现可编程放大. 通道补偿寄存器用于放大器的调零.
3. 2 红外CCD 信号处理电路一体化设计
为了减小体积,降低电路噪声,提高信噪比,必须实现CCD 信号处理电路的一体化设计. 由于CPLD 具有集成度高、软件编程、完全仿真、易于修改等特点[3 ] ,所以,现在大多使用CPLD 设计CCD 的驱动时序和其他接口控制信号,有利于电路的小型化和调试、升级.
对于一些实时信号处理系统,特别是成像跟踪系统,为了提高CCD 信号处理的运算速度,一般在硬件上实行并行处理,将模数转换和CPU的运算同时进行,A/ D 转换的是下一帧数据,而CPU 运算的是上一帧数据. 这样对同一块RAM进行操作,要求RAM 是双口RAM. 用于存储A/ D 转换数据的地址总线和读写控制信号要单独提供,使用CPLD 直接生成最为简洁. 因此,红外CCD 信号处理电路的一体化设计如图7 所示.
4 结束语
尽管红外CCD 信号处理电路的设计多种多样,但在红外成像跟踪系统和红外焦平面信号处理系统中,使用VSP3010 和CPLD 芯片来设计CCD 信号处理电路,会使得电路的设计和调试变得简单,同时又能减小体积,增强系统的抗干扰性能. 另外,本文所介绍的去除直流电路和自动增益控制电路,也可用于其他红外探测器输出信号的处理电路中,因此,有着有一定的参考意义.
参考文献
1 杨宜禾,岳敏,周维真. 红外系统[M] . 第二版. 北京:国防工业出版社,1995. 1732190
2 杨振江,孙占彪,王曙梅等. 智能仪器与数据采集系统中的新器件及其应用[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,2001. 2802283
3 宋万杰,罗丰,吴顺军. CPLD 技术及其应用[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,1999 :2211