高灵敏度ccd光电信号检测系统的设计

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1、高灵敏度CCD光电信号检测系统的设计0.引言图像传感器是目前最热门的技术之一，发展极为迅速[1-3]。采用CCD图像传感器设计光谱仪，使得光谱仪具有测量快速、没有运动部件、体积小、重量轻、使用方便等一系列突出的优点，是光谱仪等科学仪器的发展方向[4-9]。光谱光电检测系统对CCD输出信号处理的目的就是尽可能地消除各种噪声和干扰，又尽量减少有效信号细节的损失，保证输出幅度，提高输出信号的稳定性，使得CCD动态范围内检测到的信号强度随被测信号的变化成线性变化，同时为了便于计算机处理和大容量存储，还必须对CCD输出信号进行数字化处理[10-16]。针对CCD的输出信号特点和光谱

2、系统检测原则，设计了如图1所示的光电信号检测电路。整个设计分为电源设计、驱动电路设计、预处理、A/D转换以及微处理器五部分。限于篇幅，本文着重介绍CCD的输出信号预处理、A/D转换以及微处理器三部分的内容。CDS集成芯片预处理DATACLKSHP，SHD，CLAMP相关双采样IL-C6-2048C线阵CCDCCD驱动电路A/D转换低通滤波放大微控制器上位机箝位电路前置放大图1IL-C6-2048C输出信号处理电路原理框图1.高性能CCD简介本文采用的是加拿大DALSA公司生产的埋沟道型IL-C6-2048C线阵CCD。它主要的性能特点如下：（1）单输出，最大数据输出率可达

3、25M；11（1）2048个有效光敏单元，每行另有5个隔离单元和4个遮光单元（遮光单元用于暗电流检测）；在行转移时钟为750Hz时，25℃室温下，暗信号大小仅为8mV；（2）光敏单元的尺寸为13um×500um，中心距为13um，有效光敏阵列总长为26.6mm；（3）具有抗光晕（Anti-Blooming）和曝光控制功能；（4）高灵敏度：峰值（800nm）响应率为；饱和曝光量达到。（5）埋沟道器件，动态范围宽，最大可达23600:1。2.CCD输出信号的预处理CCD的输出信号由于是负极性的离散模拟信号，并且混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，为了获得高质量的脉动光谱信号，必须对

4、CCD输出信号进行适当的预处理，才能通过A/D转换，进行进一步的处理。CCD输出信号的预处理包括前置放大、直流箝位、相关双采样、低通滤波和放大几部分，下面分别来进行介绍。2.1CCD输出信号的前置放大电路CCD器件是低功耗器件，其输出的视频信号电流非常小，也就是说，CCD的输出信号不足以驱动后面的视频信号处理电路。因此在CCD输出级要加上一级电流放大电路，以提高带负载能力。这部分电路在电路布局上，应尽量靠近CCD芯片的输出端，以减少传输延迟和信号变形[3]。图2IL-C6-2048C前置放大电路本设计中IL-C6-2048C的输出信号放大电路采用的是射极跟随方式，因为射极

5、跟随器有高的输入电阻和低的输出电阻，能隔离前后级电路的相互影响，起缓冲作用，同时有较大的电流放大倍数，所以可用作视频信号处理的输入级，放大器件采用MMBT3904晶体管，它是低噪声的器件，电流放大倍数(hFE=100)线性好，电路实现如图2所示。112.2箝位电路箝位设计目的是实现直流电平箝位。由于CCD的输出信号因为包含了一个较大的直流成分，这个直流量很容易造成放大器的饱和或者引起共模效应。因此，CCD的输出信号不能往往不能直接加到后续放大器的输入端去。直流恢复目的是从信号中恢复出优化的信号直流分量，即将叠加在CCD像素上的直流电平恢复到一个希望的值。在实际电路设计中，

6、直流恢复的实现是将前置放大后的CCD输出信号经过一个耦合电容连接到相关双采样（CDS）芯片的CCD信号输入端。CDS芯片会在输入箝位脉冲（CLAMP）为高电平时，在耦合电容端产生一个理想的直流偏置电压。所以需要为相关双采样设计一个合理的箝位脉冲。此脉冲信号有CPLD产生。2.3相关双采样CCD直流电平箝位与相关双采样功能是由双采样集成芯片完成的。相关双采样是根据CCD输出信号和噪声信号的特点而设计，它能消除复位噪声的干扰，对噪声和低频噪声也有抑制作用，可以显著改善动态光谱检测系统的信噪比，提高信号检测精度。（1）相关双采样原理由于CCD每个像元的输出信号中既包含有光敏信号

7、，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始时刻t1和积分结束时刻t2，分别对输出信号采样（在一个信号输出周期内，产生两个采样脉冲，分别采样输出信号的两个电，即一次是对复位电平进行采样，另一次是对信号电平进行采样），并且使得两次采样时间之间的间隔远小于时间常数（Ron为复位管的导通电阻），这样两次采样的噪声电压相差无几，两次采样的时间又是相关的[4~5]。若将两次采样值相减，就基本消除了复位噪声的干扰，得到信号电平的实际有效幅值。图3是相关双采样原理图。图3相关双采样原理图CDS不仅能消除复位噪声，而且还有抑制低频信号的