红外CCD 信号处理电路的规划
摘 要:因为红外CCD 的输出为高布景、宽动态规模的信号,所以在该信号的处理电路中,去除直流高布景和主动增益关于滤除布景噪声、提取方针信号必不可少. 通过剖析红外CCD 信号处理电路的规划要求,介绍了使用于该信号处理的几种常用电路的规划办法. 最终,侧重论述了依据CPLD(杂乱可编程逻辑器材) 和VSP3010 的CCD 信号处理电路的一体化规划办法.
关键词:红外CCD ;电路规划;增益操控;信号处理;CPLD
红外CCD 与可见光CCD 在成像原理上是相同的,但红外CCD 承受的是红外辐射,它的输
出信号与可见光CCD 比较具有必定的差异. 一般说来,红外CCD 输出的是高布景、低反差的信号,其动态规模比较宽,信噪比比较低[1 ] . 在信号扩大时若不将布景噪声去掉,扩大器将把信号和布景噪声一起扩大,因而形成扩大器饱满. 若直接用隔直耦合电容去除直流高布景噪声,在信号相关于布景噪声十分弱小时,因为电容具有积分特性,运用隔直耦合%&&&&&%会对信号产生影响. 别的,CCD 输出信号不能看作高频周期信号,因而对周期信号所采纳的处理办法也无法运用. 因而,在红外CCD 信号处理电路中,需求规划去除高布景直流重量的专用电路. 当红外CCD 成像盯梢体系间隔方针很远时,CCD 接收到的红外辐射十分小,产生的信号也很小. 当成像盯梢体系间隔方针很近时,CCD 接收到的红外辐射十分强,其信号强度往往要增大几十倍、几百倍,乃至几千倍. 关于这一大动态规模的信号输入,其扩大电路的扩大倍数应当主动可调,不能固定不变. 因而,在红外CCD 信号处理电路中,需求规划主动增益扩大电路.
1 去除直流(高布景) 的电路规划
去除直流(高布景) 的电路原理框图可如图1 所示. 其规划思维是:红外成像盯梢体系在方针盯梢过程中,不断输出收集的数据. CPU 对前一帧收集的数据进行处理,找出直流重量的巨细,按必定份额(该份额取决于电路的扩大倍数) 转化成相应的数据,鄙人一帧起始信号到来时,CPU 将该数据输出并锁存到并行口上,通过D/A 转化和扩大变成必定的直流重量,加到差分扩大器的反相端,以此抵消下一帧信号的直流重量. 这是因为成像盯梢过程中,相邻两帧图画产生骤变的或许性不大,可以用前一帧的直流重量为下一帧供给参阅.
该电路与恒流源负载电平移动电路(消除固定直流重量) 比较,其长处是:可以依据CCD 的
输出主动调整差分扩大器反相端的直流重量.
2 增益操控电路的规划
增益操控电路的意图是使扩大倍数可调,以习惯不同信号强度的扩大要求. 此电路的规划常用多量程方法、数字电位器方法和可编程增益扩大器方法.
2. 1 多量程方法
多量程方法一般凭借电子开关来完成,其电路原理框图如图2 所示. CCD 信号经扩大器后进入A/ D , 将A/ D 输出的最高三位输入到CPLD(杂乱可编程逻辑器材) 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. 鄙人一帧数据输入开始时,CPLD 依据锁存的三位数,主动挑选扩大倍数,输出操控信号,使相应的电子开关翻开或闭合,改动扩大器的反应电阻,到达增大或减小扩大倍数的意图. Fs 是帧信号,它使得CPLD 只在每一帧的开始时改动扩大倍数,也就是说在一帧数据收集期间,扩大倍数不能改动.
若A/ D 为16 位,则CPLD 对D15 、D14 、D13进行比较并锁存最大值. CPLD 主动挑选扩大倍数的编程思维是:若D15 、D14 、D13 中有两个为1 ,阐明输入信号较强,将扩大倍数减小一倍;若D15 、D14 一起为0 ,则阐明输入信号较小,将扩大倍数增大一倍.
2. 2 数字电位器方法
图3 (a) 所示的是100 K数字电位器的作业原理示意图[2 ] ,其内部结构好像是100 个1 K的电阻串联,CL K 信号的脉冲个数决议滑动端P的移动次数,滑动端P 每次移动以1 K为单位,D/ U 信号操控滑动端P 的移动方向(向下或向上) .
图3 (b) 所示的是运用数字电位器的增益操控电路示意图,CPLD 的效果和编程思维与多量程方法的增益操控电路相同,仅仅输出信号有所不同罢了. 运用这种电路简略完成多档位的增益操控,可使用在要求扩大倍数可调比较多的电路中.
2. 3 可编程增益扩大器方法
该方法是直接选用现有的可编程增益扩大器集成电路来完成增益操控,其电路原理框图如图4 所示. 这方面的%&&&&&% 有: PGA103 、PGA204 、AD526 、AD620 、THS7001 等,其增益操控都只要固定的几档. 有的扩大倍数是1 、2 、4 、8 、16 倍;有的扩大倍数是1 、10 、100 、1000 倍. 增益设置方法有:电阻设置法、引脚设置法、软件设置法. CPLD的效果和编程思维与前面介绍的两种增益操控电路相同.
由电子电路理论可知:扩大电路的带宽与扩大倍数的乘积是一个常数. 电路中扩大倍数的改动必定会使电路的带宽减小. 所以,必定要依据电路需求的最小带宽和或许调理的最大扩大倍数,来挑选宽带扩大器,以保证电路增益主动操控时,电路的带宽满意信号处理的需求.
3. 1 CCD 信号处理电路的专用芯片VSP3010
VSP3010 是Burr – Brown 公司出产的用于CCD 信号处理的专用集成芯片之一,它有1 通道或3 通道的信号处理才能. 每一通道都有信号采样、黑电平(布景直流) 调整和可编程增益扩大,然后经多路挑选器进入采样速率为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,不管输入信号的直流重量多大,都将箝位到同一个电平上,以此去除信号中的布景直流重量. 别的,在驱动脉冲CK1 和CK2 的效果下,相关双采样是对CCD 的每个单元输出信号进行两次采样,两次采样成果相减,可去除CCD 像元移位输出中的残留电荷对信号的影响.
VSP3010 的各种作业形式都由命令字来装备. 片内有7 个存放器:1 个装备存放器(7 位) 、3个通道补偿存放器(8 位) 和3 个通道增益存放器(5 位) . 一旦设置好存放,VSP3010 就能正常作业. 其间,通道增益存放器操控各通道宽带扩大器的增益,增益计算公式为: A V = 4/ (4 – 0.1 X) ,其间X 为5 位二进制数(0～31) . 向通道增益存放器写入不同的X , 则扩大器的增益不相同,以此完成可编程扩大. 通道补偿存放器用于扩大器的调零.
3. 2 红外CCD 信号处理电路一体化规划
为了减小体积,下降电路噪声,进步信噪比,有必要完成CCD 信号处理电路的一体化规划. 因为CPLD 具有集成度高、软件编程、彻底仿真、易于修正等特色[3 ] ,所以,现在大多运用CPLD 规划CCD 的驱动时序和其他接口操控信号,有利于电路的小型化和调试、晋级.
关于一些实时信号处理体系,特别是成像盯梢体系,为了进步CCD 信号处理的运算速度,一般在硬件上实施并行处理,将模数转化和CPU的运算一起进行,A/ D 转化的是下一帧数据,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 转化数据的地址总线和读写操控信号要独自供给,运用CPLD 直接生成最为简练. 因而,红外CCD 信号处理电路的一体化规划如图7 所示.
4 结束语
虽然红外CCD 信号处理电路的规划多种多样,但在红外成像盯梢体系和红外焦平面信号处理体系中,运用VSP3010 和CPLD 芯片来规划CCD 信号处理电路,会使得电路的规划和调试变得简略,一起又能减小体积,增强体系的抗干扰功能. 别的,本文所介绍的去除直流电路和主动增益操控电路,也可用于其他红外探测器输出信号的处理电路中,因而,有着有必定的参阅含义.
参阅文献
1 杨宜禾,岳敏,周维真. 红外体系[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. 智能仪器与数据收集体系中的新器材及其使用[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 技能及其使用[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,1999 :2211
