1 引 言
紫外临边成像光谱仪可以实现对臭氧、二氧化氮、二氧化硫等大气成份垂直分布及其变化的高时空分辨率的连续监测,这对研究大气上下层之间的相互作用以及了解太阳活动、空间天气与地球气候的定量关系都具有十分重要的意义[1]。CCD是成像光谱仪的核心器件,具有响应波段宽、量子效率高、噪声低、动态范围大以及分辨率高等优点[2]。CCD的正常工作,需要基于数种电压,且驱动时序复杂,因此CCD的成像电路设计一直是成像光谱仪研制中的一项关键技术。
CCD自20世纪70年代问世,伴随着集成电路设计和制造工艺水平的不断提高,其驱动电路和信号处理电路都已经发展得十分成熟,各种专用集成芯片不断问世。在此基础上,本文提出了一种模数分离的成像电路系统设计方案,旨在消除CCD电路系统中长期存在的由于模数混合而造成的数字信号对模拟信号的干扰问题。在紫外临边成像光谱仪的探测波段内,信号动态范围达105,而探测器及其信号处理电路能够提供的动态范围只有103,因此需要将曝光时间的动态范围设计成102以满足总动态范围的要求。受搭载平台运动特性的限制,曝光时间的上限通常为100 s量级,按传统的CCD驱动时序设计思想[3-6],其最短曝光时间在10-1s量级,如何将其降低至10-2s量级甚至更低,从而使曝光时间能够实现102以上的动态范围且不影响探测器的总动态范围是当前CCD电路系统研究的一个热点[7]。
2 系统设计方案
CCD电路系统主要由电源电路、时序发生电路、功率驱动电路、信号处理电路(模拟前端)和整理传输电路组成,如图1所示。其中电源电路为CCD提供直流偏置电压,为功率驱动电路提供电源电压;时序发生电路为CCD和模拟前端(AFE)提供控制时钟信号,其中CCD时钟信号需要经过功率驱动电路进行电压电流放大后再送入CCD相应的时钟管脚;信号处理电路输出的数据经整理后发往主控模块。
在很多应用中,光机头部留给探测器的空间都很有限,而CCD信号处理电路的规模通常比较大,因此常将CCD驱动电路和信号处理电路设计在两块电路板上,这就要涉及CCD输出模拟信号的板间传输问题,而且CCD信号处理电路是一个模拟电路,在它之后的数字信号缓冲电路[8]、传输电路[8-9]或处理电路,都会对模拟信号产生一定的干扰,因而在做印刷电路板(PCB)设计时必须要考虑串联电阻、模拟与数字分割以及信号如何走线等诸多问题[8]。
本文的设计根据CCD输出信号的频率、幅度和信噪比等因素,选用了AD公司的14位专用集成处理器AD9824来设计CCD信号处理电路。如图2所示,CCD输出的模拟信号经射极跟随电路提升驱动能力后,再经过一个隔直电容便直接送入AD9824,整个处理电路的规模非常小,这使得将其与CCD设计在同一块电路板上成为可能,从而避免了由于模拟信号的板间传输而引入的噪声。
很多设计都会在AFE/AD之后加一个缓冲芯片来提升数字信号的驱动能力,而实际上AD9824输出数字信号的驱动能力为2 mA(负载电容20 pF),而接收端的现场可编程门阵列(FP-GA)(Xilinx公司的XC3S500E)需要的输入电流只有10μA(等效电容10 pF)。此外,由于设计中选用了Samtec公司的高速微型同轴电缆EQCD,它可以在板间高质量地传输数字或模拟信号,30cm长的电缆带宽高达5.01 GHz。这些条件意味着无需在AD9824后加缓冲电路,可以直接将信号通过同轴电缆传输给数字板上的FPGA。这也意味着CCD驱动及信号处理电路是一个纯粹的模拟电路,可避免模数混合引入的一系列问题。最终的电路结构划分如图1中的粗线方框所示。实验结果表明,本文提出的系统设计方案切实可行,FPGA能准确接收AFE输出的数字信号,而信号处理电路的输出噪声水平在2.1~2.4LSB之间(等效输入噪声为131~150μV),基本实现了AD9824数据手册中给出的输出噪声2LSB的性能指标(测量条件均为AD9824的输入交流接地,放大增益设置为6 dB)。
3 驱动电路设计
设计中所选用的探测器是英国e2v公司生产的帧转移CCD57-10 BI AIMO,在紫外波段200~ 400 nm的量子效率在50%以上,其余主要性能参数见表1。
CCD57-10正常工作需要提供5种直流偏置电压和13路时钟信号。在本文的设计中,电源电压为24 V,其先经模块电源(DC/DC)高效率地转换成30,15和5 V,然后再经低压差线性电源(LDO)降压并滤波得到CCD的直流偏置电压或驱动芯片的电源电压。图3是使用凌特公司的线性稳压器LT1763得到的CCD衬底电压的原理图。
时钟信号不仅对高低电平电压有要求,上升(下降)时间也必须要在指定的范围内。要得到指定的上升时间,就必须提供相应大小的驱动电流。CCD时钟信号的驱动电流需求可由式(1)来确定:
其中C为时钟管脚的等效电容,VH为时钟信号的高电平电压,VL为低电平电压,trise为上升时间。CCD57-10所有时钟信号的电流需求和频率如表2所示:
根据上述应用需求,选用了英特锡尔公司的EL7457来驱动时钟信号。它的额定工作频率为40 MHz,峰值输出电流为2 A,驱动1000 pF的容性负载,上升/下降时间只有12 ns。为了将上升/下降时间控制在数据手册中给出的范围内,在其输出端串联了一个限流电阻来控制峰值输出电流,以此来调节上升/下降时间。图4所示是EL7457驱动水平读出时钟RΦ的原理图,其中的R13~R15即为限流电阻。
在试验中发现,由于CCD57-10 BI AIMO没有抗溢出结构,在电子数接近3.0×时,就开始出现溢出现象,远未达到饱和电子数9.0×(实测值)的水平。在此本文将刚好使探测器未发生溢出现象的最大电子数定义为临界溢出电子数。由于电荷溢出会导致数据无效,因此在计算探测器的动态范围时,应该使用临界溢出电子数,而不是饱和电子数。
由于CCD是依靠势阱来存储电荷的,势阱深度与栅极电压正成比[2]。按照这种分析,本文将CCD帧转移时钟的高电平电压由12 V提高至15V,成功地将临界溢出电子数增加到了6.0×。
此时CCD的动态范围:
式中,QCB表示临界溢出电子数,NP表示噪声电压(均方根值),CGCCD为CCD的输出转换增益。
4 驱动时序设计
帧转移CCD由成像区、存储区和水平读出寄存器3部分组成,其传统的驱动时序[3-6]如图5(a)所示。在一个帧周期里包括3个阶段:帧转移、帧读出和空闲曝光。在帧转移阶段,通过控制时钟信号IΦ和SΦ将成像区曝光积累的电荷快速地转移到存储区,随后存储区和水平读出寄存器进入帧读出状态,而成像区则再次进入曝光状态,直至下一次帧转移。在帧读出阶段,先控制时钟信号SΦ将一行电荷垂直转移到水平读出寄存器,再控制RΦ和ΦR等时钟信号将像元电荷逐个地水平读出,如此往复,直至全部像元都被读出。读完一帧后,如果成像区的曝光时间还未达到要求,则CCD进入空闲等待状态,即所谓的空闲曝光阶段。
可以看到,在这种驱动时序设计方案中,最短曝光时间要受帧读出时间的限制,对CCD57-10而言,曝光时间要在163 ms以上(单通道读出)。成像光谱仪可探测信号的动态范围由以下3个因素决定:(1)光学系统入瞳口径可调节的动态范围;(2)探测器及其信号处理电路的动态范围;(3)曝光时间可调节的动态范围。本课题中紫外临边成像光谱仪的探测波段为280~ 780 nm,覆盖了从紫外到可见共500 nm的光谱段宽度。在这个光谱范围内,大气临边光谱辐射亮度的动态范围达105的数量级,而探测器本身能够提供的动态范围只有103,光学系统的入瞳口径又不可调节,这就要求曝光时间能够提供102的动态范围。受搭载平台(系留气艇)运动特性的限制,曝光时间的上限为2 s,因此必须要设法将曝光时间的下限做到20 ms以下。
由前面对传统驱动时序的分析可以看到,CCD实际上是依靠帧转移来实现对成像区的复位操作,两次帧转移之间的时间间隔就是曝光时间,因此若能在一次帧转移之后,快速地将电荷全部倾倒掉,随后再进行帧转移和帧读出操作,便可突破限制,实现降低最短曝光时间的目的,这正是本文提出的带有电荷倾倒的驱动时序的设计思想。如图5(b)所示,在一个帧周期里包括5个阶段。CCD57-10实现电荷倾倒的控制时序如图6所示。
设计中帧转移时钟(IΦ、SΦ)周期为4.8μs,行转移时钟(SΦ)周期为36μs,水平读出时钟(RΦ)周期为480 ns,各个阶段所用时间均标注于图5中。可以看到,一次电荷倾倒用时仅需19.04 ms,相比于帧读出时间163.06 ms降低了近一个数量级。此时曝光时间的动态范围:
式中,ETmax表示最长曝光时间,ETmin表示最短曝光时间。
在具体实现时,要根据曝光时间与帧读出时间的关系来决定是否要进行电荷倾倒。整个CCD驱动时序的工作流程如图7所示。
在标定系统动态范围的试验中发现,用20ms的短曝光时间对设计范围内的强光目标成像时,出现了如图8(a)所示的现象。可以看到,1次电荷倾倒并不彻底,有大量电荷的残留到了下一帧图像中,这会导致CCD提前出现电荷溢出现象,从而降低动态范围。
实验结果表明,将“帧转移-电荷倾倒”的执行次数增加至8次以上,便可完全清除上一帧曝光的电荷。8次电荷倾倒的成像效果如图8(b)所示。注意到最短曝光时间仍然是最后1次电荷倾倒的时间,虽然增加了帧周期,却使探测器的动态范围得到了保证。
当前CCD驱动时序多用可编程逻辑器件[3-6]或单片机[10-11]产生,本文选用的是赛灵思公司的Spartan-3E系列FPGA XC3S500E,片内有50万系统门、4个数字时钟管理器(DCM)和20个块随机存取存储器(Block RAM)等丰富的逻辑资源。在Xilnx ISE 10.1环境下,设计输入采用VHDL语言,ModelSim XE功能仿真的结果(一个帧周期)如图9所示。在设计实现时添加了20 ns的全局周期时序约束,布局布线后的静态时序分析结果显示所有的路径长度都小于20 ns,以此确保上述时序设计得到了准确实现。
5 结 论
本文提出了一种模数分离的成像电路的设计方案,该方案在使CCD正常工作的基础上,注重在应用中发现和解决问题,充分发挥了探测器的潜能。最终紫外临边成像光谱仪的动态范围是CCD的动态范围2.4×与曝光时间的动态范围1.05×的乘积,即约2.5×。
需要指出的是,19.04 ms的最短曝光时间使CCD可以探测更强的光信号,但同时加重了帧转移过程中产生的拖影现象(Smear)[7],如图8(c)所示,因此,对这一问题的深入研究将是本文后续工作的重点。
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作者简介:
马庆军(1979-),男,黑龙江密山人,博士,助理研究员,2003年于中国科学技术大学获得学士学位,2008年于中国科学院研究生院获得博士学位,主要从事遥感数据获取和处理算法的研究。E-mail: qjma@ ciomp.ac.cn
宋克非(1967-),女,吉林长春人,研究员,FY-3卫星紫外臭氧垂直探测仪副主任设计师,1998年于中国科学院研究生院获得硕士学位,主要从事微弱信号检测及紫外遥感技术的研究。E-mail: songkefei@sina.com
曲 艺(1979-),男,吉林长春人,博士,副研究员,2006年于吉林大学获得博士学位,主要从事空间紫外遥感技术的研究。E-mail: quyi972@so-hu.com
王淑荣(1961-),女,吉林长春人,硕士,研究员,FY-3卫星紫外臭氧垂直探测仪主任设计师,1994年于中国科学院研究生院获得硕士学位,主要从事空间紫外光学遥感技术及光学检测、紫外辐射计量测试方法的研究。E-mail: srwang@ciomp.ac.cn
