本文關(guān)鍵詞：EMCCD成像系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

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【摘要】：微光圖像采集在軍事、天文、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重要作用。不同的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域?qū)ξ⒐鈭D像的成像特點(diǎn)要求不同,電子倍增CCD (EMCCD)在繼承了傳統(tǒng)CCD特點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了對微光圖像的探測采集能力,能夠滿足多種不同領(lǐng)域?qū)ξ⒐鈭D像的采集要求。但是,EMCCD由于其結(jié)構(gòu)上的變化,需要專有的電路控制其工作,電路設(shè)計(jì)的效果直接影響最終芯片成像效果。因此,急需設(shè)計(jì)研制一款穩(wěn)定、低噪聲E MCCD成像系統(tǒng)。對EMCCD成像的控制主要需解決對EMCCD芯片的工作控制以及采集數(shù)據(jù)的傳輸兩方面問題。本文選擇CCD97作為EMCCD傳感器芯片。本文從CCD97器件結(jié)構(gòu)與工作原理出發(fā),分析其工作所需信號(hào)與輸出信號(hào)特點(diǎn),分別使用分立元件與功能器件設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路。本文采用正弦波信號(hào)作為EMCCD的倍增級驅(qū)動(dòng)信號(hào),以減少系統(tǒng)發(fā)熱。對EMCCD圖像輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換采用雙通道14位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片來完成。本文選擇Camera Link傳輸協(xié)議作為圖像輸出協(xié)議,RS232串口協(xié)議作為調(diào)試與工作控制指令輸入?yún)f(xié)議。本文從電源常見噪聲原理出發(fā),研究高效率,低噪聲供電單元設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各單元供電以及倍增增益調(diào)整。系統(tǒng)測試表明,EMCCD成像系統(tǒng)能具有快速成像能力,采集圖像灰度分辨率為14位,數(shù)據(jù)傳輸速度25幀／秒,較長時(shí)間積分下圖像灰度具有良好線性變化,能夠滿足微光夜視成像的需要。
【關(guān)鍵詞】：EMCCD 驅(qū)動(dòng)電路 信號(hào)優(yōu)化 Camera Link 硬件設(shè)計(jì) 微光成像
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN223;TN386.5
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 緒論8-12
• 1.1 微光夜視成像原理8-9
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀9
• 1.3 微光夜視成像研究的意義9-10
• 1.4 研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)10-12
• 2 EMCCD成像系統(tǒng)電路方案設(shè)計(jì)12-21
• 2.1 EMCCD工作原理12-13
• 2.2 EMCCD噪聲簡介13-17
• 2.2.1 光子散粒噪聲14
• 2.2.2 暗電流噪聲14-16
• 2.2.3 時(shí)鐘感生電荷噪聲16
• 2.2.4 倍增噪聲16-17
• 2.2.5 讀出噪聲17
• 2.3 EMCCD成像系統(tǒng)電路方案設(shè)計(jì)17-21
• 2.3.1 EMCCD成像系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與模擬前端電路18-19
• 2.3.2 EMCCD成像系統(tǒng)數(shù)字控制電路19
• 2.3.3 EMCCD成像系統(tǒng)供電電路19
• 2.3.4 EMCCD成像系統(tǒng)通信接口電路19
• 2.3.5 相關(guān)輔助功能單元19-21
• 3 EMCCD成像系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與模擬前端電路設(shè)計(jì)21-41
• 3.1 CCD97芯片特性21-23
• 3.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)特性23-26
• 3.2.1 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)特性23-26
• 3.2.2 直流偏置電壓特性26
• 3.3 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)26-33
• 3.3.1 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路整體設(shè)計(jì)26-27
• 3.3.2 轉(zhuǎn)移時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)27-29
• 3.3.3 倍增時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)29-33
• 3.4 模擬前端電路設(shè)計(jì)33-39
• 3.4.1 CCD97讀出信號(hào)預(yù)處理電路33-35
• 3.4.2 A/D采樣電路設(shè)計(jì)35-39
• 3.5 FPGA控制單元電路設(shè)計(jì)39-41
• 4 EMCCD成像系統(tǒng)供電與通信接口電路設(shè)計(jì)41-50
• 4.1 低噪聲系統(tǒng)供電單元電路設(shè)計(jì)41-47
• 4.1.1 供電單元設(shè)計(jì)思路41-42
• 4.1.2 電源芯片選擇42-43
• 4.1.3 各供電模塊電路設(shè)計(jì)43-47
• 4.2 通信接口電路設(shè)計(jì)47-50
• 4.2.1 控制指令接收電路47-48
• 4.2.2 Camera Link接口電路48-50
• 5 系統(tǒng)板級設(shè)計(jì)與調(diào)試50-66
• 5.1 電路設(shè)計(jì)常見噪聲與抑制方法50-53
• 5.1.1 單網(wǎng)絡(luò)信號(hào)噪聲50-52
• 5.1.2 多網(wǎng)絡(luò)信號(hào)噪聲52
• 5.1.3 平面噪聲52-53
• 5.1.4 電磁干擾噪聲53
• 5.2 CCD97成像系統(tǒng)電路板級設(shè)計(jì)53-58
• 5.2.1 板級劃分與尺寸設(shè)計(jì)53-54
• 5.2.2 層疊設(shè)計(jì)54-55
• 5.2.3 電路布局與布線設(shè)計(jì)55-57
• 5.2.4 參考平面設(shè)計(jì)57
• 5.2.5 系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)57-58
• 5.2.6 板級信號(hào)連接與對外輸出接口58
• 5.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)與信號(hào)調(diào)試58-66
• 5.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)58-59
• 5.3.2 系統(tǒng)信號(hào)調(diào)試59-66
• 6 系統(tǒng)成像實(shí)驗(yàn)66-76
• 6.1 CCD97暗場圖像噪聲測試68
• 6.2 CCD97信噪比測試68-69
• 6.3 CCD97電子倍增效果測試69-70
• 6.4 CCD97制冷效果測試70-72
• 6.5 CCD97積分時(shí)間測試72-75
• 6.6 CCD97成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)論75-76
• 7 總結(jié)與展望76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 附錄82

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本文編號(hào)：588818