CCD(Charge Couple Device)中文名為“電荷耦合器件”,是一種以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件。由于CCD相機(jī)的靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大等突出優(yōu)點(diǎn),使它在天文物理學(xué)、航空航天、生物和醫(yī)學(xué)研究、X射線成像、水下攝影、分子動(dòng)力學(xué)、光譜學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前,國內(nèi)成套的中高端CCD相機(jī)大都采用圖像采集卡作為數(shù)據(jù)的傳輸方式,對(duì)電腦要求高,維護(hù)不便,嚴(yán)重阻礙了CCD相機(jī)的發(fā)展。為此本文設(shè)計(jì)了基于USB的熱插拔、高數(shù)據(jù)傳輸率的CCD相機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集總體方案
完整的CCD相機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜,一個(gè)完整的CCD相機(jī)系統(tǒng)包括制冷電路、CCD芯片、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)序驅(qū)動(dòng)和控制電路、USB數(shù)據(jù)采集傳輸模塊等[1]。CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集總體方案如圖1所示。本相機(jī)用獨(dú)立制冷電路(具有測(cè)溫和反饋控制功能)給CCD芯片制冷,這部分電路與采集電路不發(fā)生關(guān)系,為了不產(chǎn)生影響,兩部分電路獨(dú)立,不共地。
1.1 信號(hào)調(diào)理電路
為了使CCD輸出信號(hào)能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)的要求,本文設(shè)計(jì)了圖2 所示的CCD輸出信號(hào)調(diào)理電路。工作原理為:輸出信號(hào)U經(jīng)過低噪聲放大器A1放大,再經(jīng)過電位器W和低噪聲放大器A2,在A3放大器和上次復(fù)位后的輸出信號(hào)相減(SH1是采樣保持器,此時(shí)保持的是上次復(fù)位后在A2放大器中的輸出信號(hào)),然后由采樣保持器SH2保持并經(jīng)A4放大輸出給A/D轉(zhuǎn)換器。A3為差分放大器,實(shí)現(xiàn)本次信號(hào)減去上次復(fù)位后的信號(hào),從而消除復(fù)位噪聲。
1.2 A/D轉(zhuǎn)換及控制時(shí)序
CCD輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)需要全盤考慮。特別是轉(zhuǎn)換器的分辨率(轉(zhuǎn)換輸出位數(shù))和采樣與轉(zhuǎn)換速度,這是影響整個(gè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)。同時(shí)受到CCD讀出信號(hào)、信號(hào)噪聲大小、計(jì)算機(jī)圖像處理的復(fù)雜程度等的影響和制約,而性能太高的轉(zhuǎn)換器由于受到其他因素的制約而發(fā)揮不了應(yīng)有的作用,所以選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵。在CCD采用制冷措施后,熱噪聲變的很小,通過信號(hào)調(diào)理電路可以減小復(fù)位噪聲,為了發(fā)揮制冷CCD高信噪比的優(yōu)勢(shì),應(yīng)使用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。綜合考慮射線圖像的信噪比、電路噪聲以及成本等因素,并參照其他CCD相機(jī)的情況,本文選擇了LTC1608CG模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其片內(nèi)自帶采樣/保持器、16位的分辨率、轉(zhuǎn)換率為500 kS/s,其速度、精度和無管線延遲結(jié)構(gòu)使得LTC1608特別適合于高速多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[2]。
CCD讀出的信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路后,由LTC1608進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)CON0由計(jì)算機(jī)通過控制電路產(chǎn)生,選通2個(gè)8 bit鎖存器74LS374,在控制電路的作用下,把上次鎖存的16 bit數(shù)據(jù)傳輸給存儲(chǔ)器IDT7204。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)行下次采樣并輸出BUSY信號(hào),利用BUSY信號(hào)把本次的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在2片鎖存器中,再由下次的控制信號(hào)CON1讀入IDT7204中。A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。CCD信號(hào)轉(zhuǎn)移、A/D控制及數(shù)據(jù)傳輸控制時(shí)序圖如圖4所示。