线阵ccd低噪声测量系统设计

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1、线阵CCD低噪声测量系统设计张　俊　汪　涛（重庆大学物理学院，中国重庆401331）【摘　要】介绍了线阵CCD低噪声测量系统的结构，并从硬件和软件两个方面处理系统噪声。CCD输出的模拟信号传输至AD中，经过相关双采样处理降低复位噪声。转换后的数字信号传输至FPGA中，经低通滤波器进一步去噪后，通过FPGA内部缓存器上传至上位机中。利用FPGA实现了CCD和AD的驱动，并结合Matlab软件设计低通滤波器。实验表明该系统工作稳定，精度较高。.jyqk×14μm，相邻两个光敏单元的中心距为14μm。该CCD工作需要6路驱动脉冲，由FPGA产生，包括移位脉冲φ1、φ2，信号输出脉冲φ2

2、B，转移脉冲SH，复位脉冲RS和箝位脉冲CP。2.2　模数转换模块CCD输出的信号为模拟信号，在将信号输入到微处理器前，要将信号转换为数字信号。本系统选用的模数转换器为AD公司生产的AD9945，该芯片最高采样频率为40MHz，而本系统CCD信号频率为1MHz，完全能满足设计需要。其信号链主要由相关双采样(CorrelatedDoubleSample)，数控可变增益放大器（VariableGainAmplifier）和12位A/D转换器组成。为了降低CCD信号中的复位噪声，模拟信号先经过CDS处理[3]。在复位电平SHP和像元信号电平SHD的上升沿，对模拟信号进行采集，并将得到的

3、两个信号相减，从而降低复位噪声。接着通过一个VGA增益放大器来调节信号的大小，可以通过一个10位的串行数字接口编程来设置增益的大小。最后CCD信号经过12位的AD转换器转换后，输出数字信号，并且延迟了10个像素的时钟。2.3　FPGA模块本系统使用的FPGA芯片为Altera公司的Cyclone2系列EP2C8Q208C8，通过设计产生CCD和AD的驱动信号，并结合Matlab软件对数字信号进行低通滤波处理，处理后的信号经过缓存和传输，显示在上位机上。3　系统软件设计根据系统的硬件设计，软件程序主要包括三个功能模块：时序功能模块、滤波功能模块和数据传输功能模块。3.1　时序功能模

4、块为了使CCD正常工作，必须设计出符合CCD正常工作的时序脉冲。将两相时钟频率φ1、φ2设为1MHz，则RS和CP的频率也为1MHz。AD9945需包含三个方面的时序设计：（1）串行数字接口SDATA、SCK和SL，对内部寄存器进行配置；（2）相关双采样信号SHP、SHD，以及数据像素同步时钟DATACLK；（3）光学暗电平钳制脉冲，减少暗电平噪声。3.2　滤波功能模块本系统设计了低通滤波器对数字信号滤波，是结合Matlab和FPGA实现的[4]。系统设计的滤波器为有限脉冲响应（FiniteImpulseResponse，FIR）滤波器，使用窗函数设计方法。CCD输出信号频率为1

5、MHz，经AD转换后数字信号频率仍为1MHz，所以我们将低通滤波器的截止频率设为1.2MHz，采样频率设为5MHz。通过Matlab设计了一个32阶的低通滤波器，系数的量化位数为12比特。量化后得到的滤波器系数为：FF8、001、00D、000、FE3、FFB、03B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8，系数呈现出对称性。通过Matlab软件得到滤波器系数后，利用FPGA对数据进行滤波。本系统使用FIR滤波器直线型结构

6、，相当于一个乘累加运算，且乘累加运算的次数由滤波器阶数决定。同时累加运算由串行结构来实现，即每级延时单元与相应系数的乘积结果进行累加后输出，因此整个滤波器实际上只需要一个乘法器运算单元。由于FIR滤波器系数具有对称性，所以进行对称系数的加法运算也由一个加法器串行实现。3.3　数据传输功能模块经过滤波后的数字信号先经过存储器进行缓存，我们设计一个FPGA内嵌的异步FIFO对数据进行缓存处理。由于CCD的信号频率为1MHz，所以写时钟频率设为1MHz。将串口传输速率设为9600bps，则FIFO读时钟频率应大于9600/12Hz，将读时钟频率设为0.8MHz。同时设置空、满标志信号来

7、判断何时将数据写入和读出FIFO。从FIFO中传输出来的12位并行数据需要转换为串行数据，才能通过串口上传至上位机中。需要在FPGA内部设计一个移位寄存器，并行数据传输至移位寄存器后，在通过数据缓冲寄存器输出。4　系统测试与分析搭建实验平台，进行系统测试。将被测物选为双缝，其衍射条纹投射在线阵CCD上，通过系统数据采集与传输，传输至上位机中。我们将未加低通滤波器时采集到的数据保存为txt格式，并用Matlab进行仿真，图2所示为CCD信号滤波前后的频谱图，从图中我们可以看出，原信