專利名稱：一種應(yīng)用于科學(xué)級(jí)ccd的增益濾波電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)，尤其涉及一種應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電 路設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)，有時(shí)需要根據(jù)不同觀測(cè)目標(biāo)的輻射強(qiáng)度調(diào)節(jié)相機(jī)的增益，使 得對(duì)不同輻射強(qiáng)度的目標(biāo)都能充分利用相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，得到清晰的圖像，或者對(duì)同一觀 測(cè)目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)相機(jī)的增益，觀測(cè)不同輻射強(qiáng)度區(qū)域的細(xì)節(jié)，增強(qiáng)局部圖像的對(duì)比度。同 時(shí)，天文觀測(cè)相機(jī)都需要濾波電路來獲得低噪聲的圖像。目前應(yīng)用的可控增益電路采用兩 種方式實(shí)現(xiàn)，一是直接應(yīng)用可編程增益放大器，另外一種方式是利用模擬開關(guān)和運(yùn)算放大 器加電阻網(wǎng)絡(luò)組合實(shí)現(xiàn)。這兩種方式都需要通過電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，前者增益控制復(fù)雜，需要編 程處理，后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件多，很難實(shí)現(xiàn)寬增益范圍內(nèi)的精細(xì)調(diào)整，而且兩者都不能實(shí)現(xiàn) 增益的連續(xù)可調(diào)，且電路本身都不具有濾波功能，在天文觀測(cè)相機(jī)中應(yīng)用時(shí)需要另加濾波 電路?，F(xiàn)有數(shù)碼相機(jī)都采用商用CXD和配套處理芯片，而一些科研用相機(jī)如天文觀測(cè)相 機(jī)采用的是科學(xué)級(jí)CCD (電荷耦合器件Charge Coupled Device)，需要根據(jù)所用CCD的結(jié) 構(gòu)和性能單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和處理電路，其中，驅(qū)動(dòng)電路是指為CCD提供所需電平和時(shí)序 的電路，驅(qū)動(dòng)電路通過這些電平和時(shí)序驅(qū)動(dòng)CCD像素內(nèi)的信號(hào)依次輸出；處理電路是指處 理CCD輸出信號(hào)的電路，一般包括前置放大器，濾波電路，放大電路和AD變換電路等?，F(xiàn)有 帶增益調(diào)節(jié)的天文觀測(cè)相機(jī)，其處理電路中都包括濾波電路和可控增益電路。其中，可控增 益電路中，有一種是通過可編程增益放大器實(shí)現(xiàn)，此種放大器集成了電阻網(wǎng)絡(luò)和控制寄存 器，通過控制寄存器改變電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值來改變?cè)鲆?，所以在?yīng)用時(shí)需要外部控制器通 過串行或并行連接改變可編程增益放大器寄存器的值，實(shí)現(xiàn)增益的可控，這種類型的電路 控制復(fù)雜，需另加控制芯片編程處理；另外還有通過模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器加電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)，通過模擬開關(guān)選擇連接到運(yùn)算放大器的電阻來改變放大器的增益，每個(gè)增益值對(duì)應(yīng)一 個(gè)電阻和一個(gè)模擬開關(guān)以及外加控制脈沖，所需器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)寬增益范圍內(nèi) 的精細(xì)調(diào)整。并且由于電阻網(wǎng)絡(luò)的限制，兩種方式都不能實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)調(diào)整。上述兩種 電路結(jié)構(gòu)在各天文臺(tái)的天文觀測(cè)相機(jī)中得到了普遍應(yīng)用。隨著天文觀測(cè)相機(jī)在空間應(yīng)用的 增加，由于衛(wèi)星資源的限制，希望相機(jī)能夠以簡單可靠的方式實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整，上述電路結(jié)構(gòu) 的缺點(diǎn)日益顯著。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電 路。通過深入研究科學(xué)級(jí)CCD的結(jié)構(gòu)，根據(jù)CCD輸出信號(hào)的特點(diǎn)，通過同CCD驅(qū)動(dòng)電路的時(shí) 序配合，利用調(diào)整積分電路的積分時(shí)間的方式調(diào)整增益，能夠以簡單的控制實(shí)現(xiàn)增益的實(shí) 時(shí)連續(xù)調(diào)整。本發(fā)明所述的電路結(jié)構(gòu)同CCD的輸出時(shí)序相配合，在CCD輸出有效信號(hào)的特定時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分放大，同時(shí)達(dá)到濾波的目的。其可以直接應(yīng)用在科學(xué)級(jí)CCD的處理 電路中，根據(jù)相機(jī)CCD的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路，通過調(diào)整積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD輸出信號(hào)的連續(xù) 實(shí)時(shí)調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)低通濾波功能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CXD的增益濾波電路，用在CXD的處理 電路中，其特征在于，包括一個(gè)運(yùn)算放大器，兩個(gè)模擬開關(guān)Si、S2，一個(gè)電阻R以及一個(gè)電 容C，所述模擬開關(guān)Sl接地并連接在CXD輸出信號(hào)端，在啟動(dòng)前默認(rèn)狀態(tài)設(shè)為斷開；所述運(yùn) 算放大器的正相輸入端接地，反相輸入端通過電阻R連接CCD輸出信號(hào)端，所述運(yùn)算放大器 的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接模擬開關(guān)S2和電容C，形成所述運(yùn)算放大器的負(fù)反饋 電路，所述負(fù)反饋電路中的模擬開關(guān)S2在啟動(dòng)前默認(rèn)狀態(tài)設(shè)為閉合；所述CCD輸出信號(hào)接 到可控增益濾波電路的輸入端，隨著CCD驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)，CCD開始輸出像素信號(hào)，當(dāng)信號(hào) 是無光輸入時(shí)的基底信號(hào)時(shí)，接地的模擬開關(guān)Sl閉合，將信號(hào)箝位到地電位；當(dāng)信號(hào)變?yōu)閷?duì)應(yīng)光輸入信號(hào)的有效圖像信號(hào)時(shí)，接地的模擬開關(guān)Sl斷開，所述CCD輸出信號(hào)經(jīng)電阻R 到運(yùn)算放大器的反相輸入端，當(dāng)所述CCD輸出信號(hào)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定后(此時(shí)間取 決于CCD內(nèi)部輸出結(jié)構(gòu)中的電容電阻參數(shù)，目前的科學(xué)級(jí)CCD此時(shí)間在ns量級(jí))，構(gòu)成所述 運(yùn)算放大器負(fù)反饋的模擬開關(guān)S2斷開，所述運(yùn)算放大器開始對(duì)有效像素信號(hào)積分，并輸出 經(jīng)過放大和濾波的信號(hào)，經(jīng)過設(shè)定的積分時(shí)間，構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的模擬開關(guān)S2 閉合，積分結(jié)束，電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個(gè)像素的到來。本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CXD的增益濾波電路，根據(jù)CXD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通過調(diào)整構(gòu)成所 述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的模擬開關(guān)S2的斷開時(shí)間，來控制電路的積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路增益 的連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整。另外，本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，其電路的截止頻率Fc = 1/2* π *R*C，因此通過選擇構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的電容C和所述運(yùn)算放大器反相輸 入端電阻R的值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的低通濾波。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，應(yīng)用在科學(xué)級(jí)CCD 的處理電路中，同驅(qū)動(dòng)電路相配合，利用簡單的控制就可以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)，并且具有 濾波功能，解決了目前應(yīng)用的可控增益電路控制復(fù)雜，不能連續(xù)調(diào)整，需另加濾波電路的缺
點(diǎn)ο另外，本發(fā)明可以應(yīng)用于所有天文觀測(cè)相機(jī)中，也可以應(yīng)用于采用科學(xué)級(jí)CCD的 其它相機(jī)中。


圖1是科學(xué)級(jí)CXD輸出信號(hào)的圖例。圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路的電路原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路進(jìn)行 詳細(xì)的說明。將本發(fā)明應(yīng)用于采用科學(xué)級(jí)CXD的天文觀測(cè)相機(jī)，基于科學(xué)級(jí)CXD的成像原理 CCD由按行列排列的像素構(gòu)成，圖像信號(hào)存儲(chǔ)在像素中，信號(hào)的輸出由驅(qū)動(dòng)信號(hào)按行列依次驅(qū)動(dòng)，在CCD輸出端按像素依次輸出。目前科學(xué)級(jí)CCD都采用浮置擴(kuò)散放大器輸出結(jié)構(gòu)，CCD 的輸出結(jié)構(gòu)決定了信號(hào)的形式。圖1是科學(xué)級(jí)CCD輸出信號(hào)圖例，如圖1所示，CCD每個(gè)像 素的輸出信號(hào)可以按時(shí)間順序劃分為tl、t2、t3三個(gè)部分，其中，tl部分是復(fù)位脈沖引起的 噪聲信號(hào)，t2部分是無輸入時(shí)的基底信號(hào)，t3部分是對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的有效圖像信號(hào)。有效 圖像信號(hào)表現(xiàn)為時(shí)間常數(shù)很小的指數(shù)曲線(時(shí)間常數(shù)取決于CCD內(nèi)部輸出結(jié)構(gòu)的電容電阻 參數(shù)，為ns量級(jí))，在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到常態(tài)。圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CXD的增益濾波電路的電路原理框圖?；谝陨显?理，如圖2所示，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案電路包括一個(gè)運(yùn)算放大器(可選用通用低噪聲 運(yùn)算放大器如AD844、AD829等)，兩個(gè)模擬開關(guān)S1、S2 (可選用通用快速模擬開關(guān)如DG300、 DG611等)，一個(gè)電阻R，一個(gè)電容C，其中，模擬開關(guān)S2和電容C并聯(lián)，共同形成運(yùn)算放大器 的負(fù)反饋，運(yùn)算放大器正相輸入端接地，運(yùn)算放大器反相輸入端通過電阻R連接到CCD輸出 信號(hào)，CXD輸出信號(hào)通過模擬開關(guān)Sl接地。該電路中，放大電路采 用積分器形式，即運(yùn)算放 大器外加電容負(fù)反饋，電容器C 一端接放大器輸出，一端接放大器反相輸入端，電容C并聯(lián) 模擬開關(guān)S2。放大器反相輸入端接電阻R，電阻R另一端通過模擬開關(guān)Sl接地，同時(shí)接CXD 輸出信號(hào)。兩個(gè)模擬開關(guān)S1、S2通過外加時(shí)序控制。在CXD像素信號(hào)輸出時(shí)，模擬開關(guān)Sl 在輸出信號(hào)的t2部分閉合，也就是將無輸入時(shí)的基底信號(hào)同地相連，模擬開關(guān)S2在輸出信 號(hào)的t3部分?jǐn)嚅_，即將有效圖像信號(hào)積分，放大器輸出即為放大后的圖像信號(hào)。因?yàn)镃CD 有效圖像信號(hào)輸出在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到常態(tài)，積分時(shí)間可以選擇在信號(hào)達(dá)到常態(tài)后到下一個(gè) 像素的復(fù)位信號(hào)到來之前。根據(jù)固定信號(hào)輸入的積分電路原理，U。= -1/R*C*UI*AT，其中 R為放大器反相輸入端電阻，C為反饋電容，Δ T為積分時(shí)間，當(dāng)Δ T —定時(shí)，輸出信號(hào)Uo同 輸入信號(hào)UI存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過改變積分時(shí)間ΔΤ，可以改變電路的放大倍數(shù)，因 為Δ T在CCD輸出有效圖像信號(hào)達(dá)到常態(tài)以后到下一個(gè)像素的復(fù)位信號(hào)到來之前的一段時(shí) 間內(nèi)連續(xù)可調(diào)，從而可以實(shí)現(xiàn)電路增益的連續(xù)可調(diào)。在積分期間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有效信號(hào)的濾 波功能，其截止頻率Fe = 1/2* π *R*C。通過調(diào)整電阻R和電容C的值，可以根據(jù)CXD驅(qū)動(dòng) 頻率的變化，改變?yōu)V波電路的截止頻率，有效去除CCD輸出信號(hào)中的復(fù)位噪聲，白噪聲等高 頻噪聲，同時(shí)，調(diào)整電阻R和電容C的值，也可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的粗調(diào)，實(shí)現(xiàn)大范圍的增益調(diào)
iF. ο另外，如圖2所示，CCD輸出信號(hào)接到本電路的輸入端，并將開關(guān)Sl在啟動(dòng)前的默 認(rèn)狀態(tài)設(shè)為斷開狀態(tài)，開關(guān)S2在啟動(dòng)前的默認(rèn)狀態(tài)設(shè)為閉合狀態(tài)，電路等效通過CCD輸出 與放大輸出通過電阻R相連實(shí)現(xiàn)。隨著CCD驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)，CCD開始輸出圖1所示的像素 信號(hào)。到達(dá)信號(hào)中的t2部分時(shí)，開關(guān)Sl閉合，將信號(hào)箝位到地電位。當(dāng)信號(hào)t3部分到來 時(shí)，開關(guān)Sl斷開，在CCD輸出信號(hào)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定后，開關(guān)S2斷開，開始對(duì)有效像 素信號(hào)積分，輸出經(jīng)過放大和濾波的信號(hào)。設(shè)定的積分時(shí)間到后，開關(guān)S2閉合，積分結(jié)束， 電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個(gè)像素的到來。通過控制積分時(shí)間，即開關(guān)S2斷開時(shí)間，可 以連續(xù)調(diào)整電路的放大倍數(shù)。調(diào)整R或C的值，可以調(diào)整電路的截止頻率，實(shí)現(xiàn)低通濾波。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，用在科學(xué)級(jí)CCD的處理電路中，其特征在于，包括一個(gè)運(yùn)算放大器，兩個(gè)模擬開關(guān)(S1、S2)，一個(gè)電阻(R)以及一個(gè)電容(C)，所述模擬開關(guān)(S1)接地，并連接在CCD輸出信號(hào)端，在啟動(dòng)前默認(rèn)狀態(tài)設(shè)為斷開；所述運(yùn)算放大器的正相輸入端接地，反相輸入端通過電阻(R)連接CCD輸出信號(hào)端，所述運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接模擬開關(guān)(S2)和電容(C)，形成所述運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路，所述負(fù)反饋電路中的模擬開關(guān)(S2)在啟動(dòng)前默認(rèn)狀態(tài)設(shè)為閉合；所述CCD輸出信號(hào)接到可控增益濾波電路的輸入端，隨著CCD驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)，CCD開始輸出像素信號(hào)，當(dāng)信號(hào)是無輸入時(shí)的基底信號(hào)時(shí)，接地的模擬開關(guān)(S1)閉合，將信號(hào)箝位到地電位；當(dāng)信號(hào)變?yōu)閷?duì)應(yīng)輸入信號(hào)的有效圖像信號(hào)時(shí)，接地的模擬開關(guān)(S1)斷開，所述CCD輸出信號(hào)經(jīng)電阻(R)到運(yùn)算放大器的反相輸入端，當(dāng)所述CCD輸出信號(hào)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定后，構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的模擬開關(guān)(S2)斷開，所述運(yùn)算放大器開始對(duì)有效像素信號(hào)積分，并輸出經(jīng)過放大和濾波的信號(hào)，經(jīng)過設(shè)定的積分時(shí)間，構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋電路的模擬開關(guān)(S2)閉合，積分結(jié)束，電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個(gè)像素的到來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，其特征在于，根據(jù)固定信 號(hào)輸入的積分電路原理，輸出信號(hào)U0 = -1/R^CW^ Δ T，其中R為所述運(yùn)算放大器反相輸入 端電阻，C為所述反饋電容，Δ T為積分時(shí)間，當(dāng)Δ T 一定時(shí)，輸出信號(hào)U0同輸入信號(hào)U1存在 一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而通過改變構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的模擬開關(guān)(S2)的斷開時(shí)間， 來控制電路的積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD輸出信號(hào)增益的連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，其特征在于，所述增益濾 波電路的截止頻率Fc= 1/2* π *R*C，通過改變構(gòu)成所述運(yùn)算放大器負(fù)反饋的電容(C)和所 述運(yùn)算放大器反相輸入端電阻(R)的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的低通濾波。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于科學(xué)級(jí)CCD的增益濾波電路，用在CCD的處理電路中，包括一個(gè)運(yùn)算放大器，兩個(gè)模擬開關(guān)(S1、S2)，一個(gè)電阻(R)及一個(gè)電容(C)，模擬開關(guān)(S2)和電容(C)并聯(lián)共同形成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋，運(yùn)算放大器的正相輸入端接地，反相輸入端通過電阻(R)連接CCD輸出信號(hào)，CCD輸出信號(hào)通過另一模擬開關(guān)(S1)接地。隨著CCD驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)，根據(jù)CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通過調(diào)整反饋模擬開關(guān)(S2)的斷開時(shí)間可連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整電路的放大倍數(shù)。通過調(diào)整電容(C)和電阻(R)的值，可大范圍改變放大倍數(shù)，同時(shí)改變電路的截止頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD輸出信號(hào)的低通濾波。因此，本發(fā)明的電路利用簡單的控制就可以實(shí)現(xiàn)增益的連續(xù)可調(diào)，并且具有濾波功能。
文檔編號(hào)H04N5/30GK101800860SQ200910077979
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者張鑫, 彭吉龍, 朱光武, 李保權(quán), 韋飛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心