康 臻，劉建平，孫 帥，蒲培培，牛 靜，馬世幫

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國(guó)防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)計(jì)量站，陜西 西安 710065；2.西安北方光電科技防務(wù)有限公司 裝備研發(fā)中心，陜西 西安 710043）

引言

高分辨率光譜儀由于具有高光譜分辨率、高光通量、影像校正、高雜散光抑制比、體積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為獲得目標(biāo)光譜信息的必備設(shè)備，用于光源光譜、熒光、發(fā)光材料等空間多點(diǎn)光譜的采集與高分辨率測(cè)量，可滿足火炸藥、特種照明燈具、軍用發(fā)光材料及顯示器件、航空航天遙感、軍事偵察等領(lǐng)域?qū)Ω吖庾V分辨率及光譜輻射參數(shù)的測(cè)試要求。

電荷耦合器件（CCD）具有靈敏度高、分辨率高、噪聲小等特點(diǎn)，特別是線陣CCD 已成為高分辨率光譜儀的主要成像器件。因此，線陣CCD 采集系統(tǒng)的性能對(duì)高分辨率光譜儀尤為重要[1-4]。本文采用Altera公司的MAX X系列FPGA，結(jié)合濱松公司的S10141-1109S-01 型低噪聲高分辨率線陣CCD，提出一種線陣CCD 驅(qū)動(dòng)采集系統(tǒng)方案，通過合理的電路設(shè)計(jì)和時(shí)序設(shè)計(jì)，在高分辨率光譜儀上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

線陣CCD 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。線陣CCD 采集系統(tǒng)由CCD 驅(qū)動(dòng)電路及主控電路2 個(gè)部分組成。CCD 驅(qū)動(dòng)電路由電平轉(zhuǎn)換模塊、CCD 模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊及電源模塊組成，主要功能是為線陣CCD 提供合適的驅(qū)動(dòng)電平及驅(qū)動(dòng)時(shí)序，將線陣CCD 采集到的光譜信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并輸入AD 轉(zhuǎn)換模塊[7-9]。主控電路由USB接口模塊、FPGA 模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊及電源模塊組成，主要功能是為線陣CCD 提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)預(yù)處理電路輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行AD 采樣，最后，主控電路將采集到的數(shù)字信號(hào)通過USB 接口芯片發(fā)送到上位機(jī)。

圖1 線陣CCD 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of design scheme of linear CCD acquisition system

2 CCD 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 CCD 模塊

高分辨率光譜儀基于光電攝譜原理，光電轉(zhuǎn)換器件通常選用CCD 器件。本設(shè)計(jì)CCD 模塊選用濱松公司的S10141-1109S-01 型低噪聲高分辨率CCD，它是一款背照式CCD，專用于科學(xué)應(yīng)用中低光量探測(cè)的FFT-CCD 傳感器，量子效率高，對(duì)微弱光、短波有比較好的靈敏度。通過合并（binning）操作，可以將它作為線陣圖像傳感器，擁有較長(zhǎng)的光感面。與傳統(tǒng)的信號(hào)通過外部電路數(shù)字化相加不同，binning 操作提高了信噪比和信號(hào)處理速度。該探測(cè)器還具有低噪聲和低暗電流的特性（MPP 模式下），并可長(zhǎng)時(shí)間積分實(shí)現(xiàn)低光量探測(cè)，增大飽和電荷量和動(dòng)態(tài)范圍。該探測(cè)器的光譜范圍為180 nm～1 100 nm，光敏元尺寸為12 μm×12 μm，有效像素為2 048×506，靈敏度為5 μV/e-，暗電流在常溫下為30 e-/pixel/s，滿阱容量為500 ke-，全溫度范圍內(nèi)讀出噪聲不大于18 e- rms，動(dòng)態(tài)范圍不小于27 700，數(shù)據(jù)輸出速率不小于250 kHz。

S10141-1109S-01 探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，光譜響應(yīng)曲線如圖3所示，CCD 模塊輸出波形信號(hào)如圖4所示。

圖2 S10141-1109S-01 探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of S10141-1109S-01 detector

圖3 S10141-1109S-01 探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線Fig.3 Spectral response curves of S10141-1109S-01 detector

圖4 CCD 模塊輸出波形信號(hào)Fig.4 CCD module output waveform signal

2.2 電平轉(zhuǎn)換模塊

S10141-1109S-01 探測(cè)器包含列時(shí)鐘1（P1V）和列時(shí)鐘2（P2V）、轉(zhuǎn)移柵（TG）、行時(shí)鐘1（P1H）和行時(shí)鐘2（P2H）、求和柵（SG）、復(fù)位柵（RG）共7 種驅(qū)動(dòng)信號(hào)，P1V、P2V 和TG 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-9 V～3 V，P1H、P2H 和SG 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-7 V～7 V，RG 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-5 V～9 V。FPGA 輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0 V～3.3 V，因此需要通過電平轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以達(dá)到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓[10-11]。本設(shè)計(jì)選用Intersil 公司的EL7212型雙高速雙通道MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)芯片上升時(shí)間為7.5 ns、下降時(shí)間為10 ns，驅(qū)動(dòng)電流為2 A，滿足S10141-1109S-01 探測(cè)器的使用要求。

2.3 信號(hào)預(yù)處理模塊

S10141-1109S-01 探測(cè)器輸出模擬信號(hào)基準(zhǔn)電壓為22 V，且光電轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)幅值較低，在輸入AD 轉(zhuǎn)換模塊前需要進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理[12]。本設(shè)計(jì)選用容值為1 μF 的陶瓷電容，首先對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行隔直處理，然后通過AD 公司的低噪聲高速運(yùn)算放大器AD8021 進(jìn)行反向放大，最后將探測(cè)器輸出信號(hào)調(diào)整到適合AD 轉(zhuǎn)換模塊采樣的電壓范圍。經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理模塊的CCD 波形信號(hào)如圖5所示。

圖5 經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理模塊的CCD 波形信號(hào)Fig.5 CCD waveform signal through signal preprocessing module

3 主控電路

3.1 FPGA 模塊

FPGA 模塊在CCD 采集系統(tǒng)中為CCD 探測(cè)器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制AD 轉(zhuǎn)換模塊將CCD 探測(cè)器的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號(hào)通過USB 接口模塊發(fā)送至上位機(jī)[13-15]。本設(shè)計(jì)選用的FPGA 為Altera 公司MAX X 系列的10M50SCE144I7G 芯片，該型號(hào)芯片具有成本低、內(nèi)部集成Flash、單電源供電、IO 性能優(yōu)秀、功耗極低等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于CCD 模塊在水平方向上有2 048 個(gè)有效像元，在垂直方向上有506 行，為保證驅(qū)動(dòng)時(shí)序的正確性，整個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)序的時(shí)間要求必須嚴(yán)格遵從CCD 探測(cè)器手冊(cè)要求。FPGA 為CCD產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖6所示。

圖6 FPGA 產(chǎn)生的CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序Fig.6 CCD driving sequence generated by FPGA

3.2 AD 轉(zhuǎn)換模塊

由于S10141-1109S-01 探測(cè)器輸出速率不小于250 kHz，為了對(duì)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理模塊的CCD 信號(hào)進(jìn)行雙采樣，AD 轉(zhuǎn)換模塊的輸出信號(hào)速度至少需要滿足雙采樣的要求，AD 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換速率至少要大于250×2=500 kHz。S10141-1109S-01 探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍不小于27 700，因此，AD 轉(zhuǎn)換模塊輸出動(dòng)態(tài)范圍至少要大于CCD 探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，16 位AD 轉(zhuǎn)換模塊的輸出動(dòng)態(tài)范圍為216=65 536，可滿足CCD 探測(cè)器要求[16]。綜合以上因素，本設(shè)計(jì)選用AD 公司的AD7671 型號(hào)AD 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采樣速率最大可達(dá)1 MHz，分辨率為16 Bit，支持雙極性及單極性輸入，支持SPI 接口及并行接口，采用單5 V 電源供電，功耗典型值為112 mW，積分非線性誤差為2.5 LSB。其功能框圖如圖7所示。

圖7 AD7671 內(nèi)部功能框圖Fig.7 Internal function block diagram of AD7671

3.3 USB 接口模塊

高分辨率光譜儀在光譜采樣過程中需要做到實(shí)時(shí)采集，采樣速率一般不小于30 幀/s，S10141-1109S-01 探測(cè)器1 s 內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)量為2 048×16×30=983 040 bps，串口傳輸最快速度為115 200 bps，無(wú)法實(shí)現(xiàn)探測(cè)器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此，考慮到數(shù)據(jù)的傳輸速度及開發(fā)難度，本設(shè)計(jì)選擇USB2.0接口為數(shù)據(jù)傳輸接口。本文選用接口芯片為Cypress公司的CY7C68013 芯片，支持12 MB/s 的全速傳輸和480 MB/s 的高速傳輸，可使用4 種USB 傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸，適用于USB2.0 并兼容USB1.1，在芯片內(nèi)部集成了USB2.0 收發(fā)器、接口引擎、增強(qiáng)型8 051 微處理器、16 kB 的片內(nèi)RAM、4 kB 的FIFO、最多5 組IO 接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線及I2C 控制器和通用可編程I/F。其內(nèi)部功能框圖如圖8所示。

圖8 CY7C68013 內(nèi)部功能框圖Fig.8 Internal function block diagram of CY7C68013

4 試驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用Altium Designer 完成原理圖及PCB 電路設(shè)計(jì)，主控電路及CCD 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)物電路如圖9所示。

圖9 主控電路及CCD 驅(qū)動(dòng)電路Fig.9 Main control circuit and CCD driving circuit

設(shè)計(jì)的電路在為S10141-1109S-01 探測(cè)器提供合適的驅(qū)動(dòng)時(shí)序及驅(qū)動(dòng)電壓后，CCD 驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)波形如圖10所示。

圖10 CCD 驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)波形Fig.10 Output signal waveform of CCD driving circuit

將線陣CCD 采集系統(tǒng)應(yīng)用于高分辨率光譜儀，可對(duì)汞燈譜線進(jìn)行特征峰測(cè)試，高分辨率光譜儀實(shí)物如圖11所示。

圖11 高分辨率光譜儀Fig.11 Physical photo of high-resolution spectrometer

在253.65 nm 特征峰處，光譜儀測(cè)試得到的數(shù)據(jù)為253.565 nm，測(cè)試波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為-0.085 nm，峰值1/2 處波長(zhǎng)分別為253.596 nm 和253.534 nm，兩者求差得到光譜分辨率為0.062 nm。光譜測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 253.65 nm 測(cè)試結(jié)果Fig.12 253.65 nm test results

在404.65 nm 特征峰處，光譜儀測(cè)試得到的數(shù)據(jù)為404.82 nm，測(cè)試波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為0.17 nm，峰值1/2 處波長(zhǎng)分別為404.851 nm 和404.79 nm，兩者求差得光譜分辨率為0.061 nm。光譜測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 404.65 nm 測(cè)試結(jié)果Fig.13 404.65 nm test results

5 結(jié)論

本文提出一種基于高分辨率光譜儀的線陣CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過FPGA 產(chǎn)生CCD 探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，并控制AD 采集模塊進(jìn)行采樣，最后通過USB2.0 接口將測(cè)得的光譜信號(hào)發(fā)送給光譜儀。通過高分辨率光譜儀對(duì)汞燈譜線進(jìn)行特征峰測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該線陣CCD 采集系統(tǒng)具備較高的靈敏度，針對(duì)不同的光譜信號(hào)均能以較高的信噪比對(duì)汞燈譜線進(jìn)行特征峰測(cè)試，光譜分辨率可達(dá)到0.062 nm，滿足高分辨率光譜儀的探測(cè)要求。

隨著高分辨率光譜儀的廣泛應(yīng)用，該設(shè)計(jì)可以滿足高分辨率光譜儀對(duì)CCD 采集系統(tǒng)的需求，具有廣泛的使用價(jià)值。