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用于天文觀(guān)測的CCD相機系統的研究
研究是主動(dòng)尋求根本性原因與更高可靠性依據，從而為提高事業(yè)或功率的可靠性和穩健性而做的工作。下面是小編整理的用于天文觀(guān)測的CCD相機系統的研究，希望可以幫助到大家。
摘要：
詳細介紹紫金山天文臺紅外實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的CCD相機系統的軟硬件設計。根據柯達CCD芯片KAF-0401LE的時(shí)序要求，用復雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現了CCD的時(shí)序；采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低探測信號噪聲；用89C51作下位機控制，通過(guò)RS232與上位計算機通信；系統控制軟件采用Visual C 編寫(xiě)。
引言
CCD通常分為3個(gè)等級；商業(yè)級、工程級和科學(xué)級。3個(gè)級別的要求一級比一級高。衡量CCD的性能主要從以下幾個(gè)方面：量子效率和響應度、噪聲等效功率和探測度，即動(dòng)態(tài)范圍和電荷轉移效率等�？茖W(xué)級CCD以其高光子轉換效率、寬頻譜響應、良好線(xiàn)性度和寬動(dòng)態(tài)范圍廣泛用于天文觀(guān)測，已成為望遠鏡測必不可少的后端設備。國內各天文臺望遠鏡終端都是從外圍引起的成套設備，使用和維護很不方便，并且價(jià)格昂貴，因此國內迫切需要發(fā)展自己的CCD技術(shù)。紫金山天文臺紅外實(shí)驗室對這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調研，認真選取，從芯片開(kāi)始一直到系統的軟硬件設計，搭建了自己的CDD相機系統。
1 系統設計
CCD芯片決定相機系統的性能，為此我們廣泛調研，最后選定柯達公司的KAF-0401LE芯片。它動(dòng)態(tài)范圍大（70dB），電荷轉移效率高（0.999 99），波長(cháng)響應范圍寬（0.4μm～1.0μm），低暗電流（在25℃條件下，7pA/cm2），量子效率為35%，并且具有抗飽和性，能夠滿(mǎn)足科學(xué)觀(guān)測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀(guān)測。
系統設計的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅動(dòng)和系統噪聲的問(wèn)題。我們的設計如下：采用柯達公司的KAF-0401LE芯片作為探測器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機控制器，復雜可編程邏輯作（CPLD）作時(shí)序發(fā)生和地址譯碼，采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉換順AD1674進(jìn)行模數轉換，擴展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過(guò)RS232與計算機串口通信，接受計算機的控制。整個(gè)系統由圖1所示幾個(gè)功能部件組成。
1.1 時(shí)序信號發(fā)生電路
KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平；行轉移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開(kāi)始φV1的第2個(gè)脈沖下降沿后，要有1個(gè)行轉移建立時(shí)間tφHs，讀完行后需延遲1個(gè)像素時(shí)間te才開(kāi)始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開(kāi)始下一行轉移，如此直到讀完1幀。
復雜可編程邏輯器件（CPLD）以其高度集成、靈活、方便的特點(diǎn)，在電路設計中運用越來(lái)越廣泛。Altera公司的復雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個(gè)可用邏輯門(mén)，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，最大時(shí)鐘可達147.1MHz，帶有68個(gè)可供用戶(hù)使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過(guò)JTAG接口實(shí)現在線(xiàn)編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL）在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MAX PLUS II下完成邏輯設計；編譯后，通過(guò)JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實(shí)現了KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求。
MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對某一應用而開(kāi)發(fā)的，具有通用性，調用它固有的元件庫可能造成資源的浪費，沒(méi)有必要。因此我們按照需求，編制了自己的元件庫，然后在程序中作為元件調用。在本系統中，僅用1片EPM7128LC84-15就實(shí)現了CCD的時(shí)序要求、暫存RAM和接口擴展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡(jiǎn)化恥電路的硬件設計，提高了系統可靠性，又降低了成本。
1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路
我們采用能夠滿(mǎn)足高頻要求的放大器LF356N設計雙采樣和模擬放大電路。根據CCD的動(dòng)態(tài)范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數轉換。
RSL是CCD復位電平，光信號相當于SGL與RSL的差值，理論上只要分別在RSL和SGL處各采樣一次，然后相減便得到信號的值。然而，實(shí)際上RSL和SGL并不是理想的水平線(xiàn)，而是存在著(zhù)低頻起伏噪聲。為了降低噪聲的影響，通常的做法是，分別在RSL和SGL處多次采樣求平均，這樣對硬件和數據處理軟件的要求都很高。
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