摘要：詳細(xì)介紹紫金山天文臺(tái)紅外實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的CCD相機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)柯達(dá)CCD芯片KAF-0401LE的時(shí)序要求，用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)了CCD的時(shí)序；采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低探測(cè)信號(hào)噪聲；用89C51作下位機(jī)控制，通過RS232與上位計(jì)算機(jī)通信；系統(tǒng)控制軟件采用Visual C++編寫。

關(guān)鍵詞：CCD CPLD 相關(guān)雙采樣 控制系統(tǒng) 串口通信

引言

CCD通常分為3個(gè)等級(jí)；商業(yè)級(jí)、工程級(jí)和科學(xué)級(jí)。3個(gè)級(jí)別的要求一級(jí)比一級(jí)高。衡量CCD的性能主要從以下幾個(gè)方面：量子效率和響應(yīng)度、噪聲等效功率和探測(cè)度，即動(dòng)態(tài)范圍和電荷轉(zhuǎn)移效率等�？茖W(xué)級(jí)CCD以其高光子轉(zhuǎn)換效率、寬頻譜響應(yīng)、良好線性度和寬動(dòng)態(tài)范圍廣泛用于天文觀測(cè)，已成為望遠(yuǎn)鏡測(cè)必不可少的后端設(shè)備。國(guó)內(nèi)各天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡終端都是從外圍引起的成套設(shè)備，使用和維護(hù)很不方便，并且價(jià)格昂貴，因此國(guó)內(nèi)迫切需要發(fā)展自己的CCD技術(shù)。紫金山天文臺(tái)紅外實(shí)驗(yàn)室對(duì)這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調(diào)研，認(rèn)真選取，從芯片開始一直到系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了自己的CDD相機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CCD芯片決定相機(jī)系統(tǒng)的性能，為此我們廣泛調(diào)研，最后選定柯達(dá)公司的KAF-0401LE芯片。它動(dòng)態(tài)范圍大（70dB），電荷轉(zhuǎn)移效率高（0.999 99），波長(zhǎng)響應(yīng)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，能夠滿足科學(xué)觀測(cè)的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測(cè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)噪聲的問題。我們的設(shè)計(jì)如下：采用柯達(dá)公司的KAF-0401LE芯片作為探測(cè)器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機(jī)控制器，復(fù)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(zhuǎn)換順AD1674進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過RS232與計(jì)算機(jī)串口通信，接受計(jì)算機(jī)的控制。整個(gè)系統(tǒng)由圖1所示幾個(gè)功能部件組成。

1.1 時(shí)序信號(hào)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(zhuǎn)移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開始φV1的第2個(gè)脈沖下降沿后，要有1個(gè)行轉(zhuǎn)移建立時(shí)間tφHs，讀完行后需延遲1個(gè)像素時(shí)間te才開始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開始下一行轉(zhuǎn)移，如此直到讀完1幀。

復(fù)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(shè)計(jì)中運(yùn)用越來越廣泛。Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個(gè)可用邏輯門，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，最大時(shí)鐘可達(dá)147.1MHz，帶有68個(gè)可供用戶使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過硬件描述語言（VHDL）在集成開發(fā)環(huán)境MAX PLUS II下完成邏輯設(shè)計(jì)；編譯后，通過JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實(shí)現(xiàn)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(duì)某一應(yīng)用而開發(fā)的，具有通用性，調(diào)用它固有的元件庫可能造成資源的浪費(fèi)，沒有必要。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(diào)用。在本系統(tǒng)中，僅用1片EPM7128LC84-15就實(shí)現(xiàn)了CCD的時(shí)序要求、暫存RAM和接口擴(kuò)展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡(jiǎn)化恥電路的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，又降低了成本。交流時(shí)序條件要求。

描 述符號(hào)最小值正常值最大值φH1、φH2時(shí)鐘頻率/MHzfH　1015φV1、φV2時(shí)鐘頻率/kHzfV　100125周期/nste67100　φH1、φH2建立時(shí)間/μstφHS0.51　φV1、φV2脈沖/μstφv45　復(fù)位時(shí)鐘脈寬/nstφR1020　讀出時(shí)間/mstreadout3450　每行讀出時(shí)間/μstline65.895.6　

1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路

我們采用能夠滿足高頻要求的放大器LF356N設(shè)計(jì)雙采樣和模擬放大電路。根據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換。

雙采樣原理如圖2所示。RSL是CCD復(fù)位電平，光信號(hào)相當(dāng)于SGL與RSL的差值，理論