EMCCD成像系统电路设计

发布时间：2017-07-29 11:04

  本文关键词：EMCCD成像系统电路设计

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【摘要】：微光图像采集在军事、天文、医学等诸多领域具有重要作用。不同的实验领域对微光图像的成像特点要求不同,电子倍增CCD (EMCCD)在继承了传统CCD特点的基础上增加了对微光图像的探测采集能力,能够满足多种不同领域对微光图像的采集要求。但是,EMCCD由于其结构上的变化,需要专有的电路控制其工作,电路设计的效果直接影响最终芯片成像效果。因此,急需设计研制一款稳定、低噪声E MCCD成像系统。对EMCCD成像的控制主要需解决对EMCCD芯片的工作控制以及采集数据的传输两方面问题。本文选择CCD97作为EMCCD传感器芯片。本文从CCD97器件结构与工作原理出发,分析其工作所需信号与输出信号特点,分别使用分立元件与功能器件设计系统电路。本文采用正弦波信号作为EMCCD的倍增级驱动信号,以减少系统发热。对EMCCD图像输出信号的转换采用双通道14位高速A/D转换芯片来完成。本文选择Camera Link传输协议作为图像输出协议,RS232串口协议作为调试与工作控制指令输入协议。本文从电源常见噪声原理出发,研究高效率,低噪声供电单元设计,实现对系统各单元供电以及倍增增益调整。系统测试表明,EMCCD成像系统能具有快速成像能力,采集图像灰度分辨率为14位,数据传输速度25帧／秒,较长时间积分下图像灰度具有良好线性变化,能够满足微光夜视成像的需要。
【关键词】：EMCCD 驱动电路 信号优化 Camera Link 硬件设计 微光成像
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN223;TN386.5
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 微光夜视成像原理8-9
• 1.2 国内外发展现状9
• 1.3 微光夜视成像研究的意义9-10
• 1.4 研究内容及论文结构10-12
• 2 EMCCD成像系统电路方案设计12-21
• 2.1 EMCCD工作原理12-13
• 2.2 EMCCD噪声简介13-17
• 2.2.1 光子散粒噪声14
• 2.2.2 暗电流噪声14-16
• 2.2.3 时钟感生电荷噪声16
• 2.2.4 倍增噪声16-17
• 2.2.5 读出噪声17
• 2.3 EMCCD成像系统电路方案设计17-21
• 2.3.1 EMCCD成像系统驱动与模拟前端电路18-19
• 2.3.2 EMCCD成像系统数字控制电路19
• 2.3.3 EMCCD成像系统供电电路19
• 2.3.4 EMCCD成像系统通信接口电路19
• 2.3.5 相关辅助功能单元19-21
• 3 EMCCD成像系统驱动与模拟前端电路设计21-41
• 3.1 CCD97芯片特性21-23
• 3.2 驱动信号特性23-26
• 3.2.1 时钟驱动信号特性23-26
• 3.2.2 直流偏置电压特性26
• 3.3 时钟驱动电路设计26-33
• 3.3.1 时钟驱动电路整体设计26-27
• 3.3.2 转移时钟驱动电路结构27-29
• 3.3.3 倍增时钟驱动电路结构29-33
• 3.4 模拟前端电路设计33-39
• 3.4.1 CCD97读出信号预处理电路33-35
• 3.4.2 A/D采样电路设计35-39
• 3.5 FPGA控制单元电路设计39-41
• 4 EMCCD成像系统供电与通信接口电路设计41-50
• 4.1 低噪声系统供电单元电路设计41-47
• 4.1.1 供电单元设计思路41-42
• 4.1.2 电源芯片选择42-43
• 4.1.3 各供电模块电路设计43-47
• 4.2 通信接口电路设计47-50
• 4.2.1 控制指令接收电路47-48
• 4.2.2 Camera Link接口电路48-50
• 5 系统板级设计与调试50-66
• 5.1 电路设计常见噪声与抑制方法50-53
• 5.1.1 单网络信号噪声50-52
• 5.1.2 多网络信号噪声52
• 5.1.3 平面噪声52-53
• 5.1.4 电磁干扰噪声53
• 5.2 CCD97成像系统电路板级设计53-58
• 5.2.1 板级划分与尺寸设计53-54
• 5.2.2 层叠设计54-55
• 5.2.3 电路布局与布线设计55-57
• 5.2.4 参考平面设计57
• 5.2.5 系统散热设计57-58
• 5.2.6 板级信号连接与对外输出接口58
• 5.3 系统设计总结与信号调试58-66
• 5.3.1 系统设计总结58-59
• 5.3.2 系统信号调试59-66
• 6 系统成像实验66-76
• 6.1 CCD97暗场图像噪声测试68
• 6.2 CCD97信噪比测试68-69
• 6.3 CCD97电子倍增效果测试69-70
• 6.4 CCD97制冷效果测试70-72
• 6.5 CCD97积分时间测试72-75
• 6.6 CCD97成像系统设计结论75-76
• 7 总结与展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 附录82

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本文编号：588818