摘　要:由于紅外CCD 的輸出為高背景、寬動態(tài)范圍的信號,所以在該信號的處理電路中,去除直流高背景和自動增益對于濾除背景噪聲、提取目標(biāo)信號必不可少. 通過分析紅外CCD 信號處理電路的設(shè)計要求,介紹了應(yīng)用于該信號處理的幾種常用電路的設(shè)計方法. 最后,著重闡述了基于CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件) 和VSP3010 的CCD 信號處理電路的一體化設(shè)計方法.
關(guān)鍵詞:紅外CCD ;電路設(shè)計;增益控制;信號處理;CPLD

　紅外CCD 與可見光CCD 在成像原理上是一樣的,但紅外CCD 接受的是紅外輻射,它的輸
出信號與可見光CCD 相比具有一定的差異. 一般說來,紅外CCD 輸出的是高背景、低反差的信號,其動態(tài)范圍比較寬,信噪比比較低[1 ] . 在信號放大時若不將背景噪聲去掉,放大器將把信號和背景噪聲同時放大,因而造成放大器飽和. 若直接用隔直耦合電容去除直流高背景噪聲,在信號相對于背景噪聲非常微弱時,由于電容具有積分特性,使用隔直耦合電容會對信號產(chǎn)生影響. 另外,CCD 輸出信號不能看作高頻周期信號,因而對周期信號所采取的處理方法也無法使用. 因此,在紅外CCD 信號處理電路中,需要設(shè)計去除高背景直流分量的專用電路. 當(dāng)紅外CCD 成像跟蹤系統(tǒng)距離目標(biāo)很遠(yuǎn)時,CCD 接收到的紅外輻射非常小,產(chǎn)生的信號也很小. 當(dāng)成像跟蹤系統(tǒng)距離目標(biāo)很近時,CCD 接收到的紅外輻射非常強,其信號強度往往要增大幾十倍、幾百倍,甚至幾千倍. 對于這一大動態(tài)范圍的信號輸入,其放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)自動可調(diào),不能固定不變. 因此,在紅外CCD 信號處理電路中,需要設(shè)計自動增益放大電路.
1 　去除直流(高背景) 的電路設(shè)計
去除直流(高背景) 的電路原理框圖可如圖1 所示. 其設(shè)計思想是:紅外成像跟蹤系統(tǒng)在目標(biāo)跟蹤過程中,不斷輸出采集的數(shù)據(jù). CPU 對前一幀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,找出直流分量的大小,按一定比例(該比例取決于電路的放大倍數(shù)) 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù),在下一幀起始信號到來時,CPU 將該數(shù)據(jù)輸出并鎖存到并行口上,經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換和放大變成一定的直流分量,加到差分放大器的反相端,以此抵消下一幀信號的直流分量. 這是因為成像跟蹤過程中,相鄰兩幀圖像發(fā)生突變的可能性不大,可以用前一幀的直流分量為下一幀提供參考.

該電路與恒流源負(fù)載電平移動電路(消除固定直流分量) 相比,其優(yōu)點是:能夠根據(jù)CCD 的
輸出自動調(diào)整差分放大器反相端的直流分量.

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2 　增益控制電路的設(shè)計
增益控制電路的目的是使放大倍數(shù)可調(diào),以適應(yīng)不同信號強度的放大要求. 此電路的設(shè)計常用多量程方式、數(shù)字電位器方式和可編程增益放大器方式.
2. 1 　多量程方式

多量程方式通常借助電子開關(guān)來實現(xiàn),其電路原理框圖如圖2 所示. CCD 信號經(jīng)放大器后進(jìn)入A/ D , 將A/ D 輸出的最高三位輸入到CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件) 并鎖存. 在一幀數(shù)據(jù)采樣輸入期間,鎖存的數(shù)據(jù)與輸入的數(shù)據(jù)不斷比較,在CPLD 中鎖存的總是最大三位數(shù). 在下一幀數(shù)據(jù)輸入開始時,CPLD 根據(jù)鎖存的三位數(shù),自動選擇放大倍數(shù),輸出控制信號,使相應(yīng)的電子開關(guān)打開或閉合,改變放大器的反饋電阻,達(dá)到增大或減小放大倍數(shù)的目的. Fs 是幀信號,它使得CPLD 只在每一幀的開始時改變放大倍數(shù),也就是說在一幀數(shù)據(jù)采集期間,放大倍數(shù)不能改變.
若A/ D 為16 位,則CPLD 對D15 、D14 、D13進(jìn)行比較并鎖存最大值. CPLD 自動選擇放大倍數(shù)的編程思想是:若D15 、D14 、D13 中有兩個為1 ,說明輸入信號較強,將放大倍數(shù)減小一倍;若D15 、D14 同時為0 ,則說明輸入信號較小,將放大倍數(shù)增大一倍.

2. 2 　數(shù)字電位器方式
圖3 (a) 所示的是100 K數(shù)字電位器的工作原理示意圖[2 ] ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)好像是100 個1 K的電阻串聯(lián),CL K 信號的脈沖個數(shù)決定滑動端P的移動次數(shù),滑動端P 每次移動以1 K為單位,D/ U 信號控制滑動端P 的移動方向(向下或向上) .
圖3 (b) 所示的是使用數(shù)字電位器的增益控制電路示意圖,CPLD 的作用和編程思想與多量程方式的增益控制電路相同,只是輸出信號有所不同而已. 使用這種電路容易實現(xiàn)多檔位的增益控制,可應(yīng)用在要求放大倍數(shù)可調(diào)比較多的電路中.

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2. 3 　可編程增益放大器方式
該方式是直接采用現(xiàn)有的可編程增益放大器集成電路來實現(xiàn)增益控制,其電路原理框圖如圖4 所示. 這方面的IC 有: PGA103 、PGA204 、AD526 、AD620 、THS7001 等,其增益控制都只有固定的幾檔. 有的放大倍數(shù)是1 、2 、4 、8 、16 倍;有的放大倍數(shù)是1 、10 、100 、1000 倍. 增益設(shè)置方式有:電阻設(shè)置法、引腳設(shè)置法、軟件設(shè)置法. CPLD的作用和編程思想與前面介紹的兩種增益控制電路相同.

由電子電路理論可知:放大電路的帶寬與放大倍數(shù)的乘積是一個常數(shù). 電路中放大倍數(shù)的改變必然會使電路的帶寬減小. 所以,一定要根據(jù)電路需要的最小帶寬和可能調(diào)節(jié)的最大放大倍數(shù),來選擇寬帶放大器,以確保電路增益自動控制時,電路的帶寬滿足信號處理的需要.

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3 　使用專用集成電路進(jìn)行CCD 信號處理電路的設(shè)計
3. 1 　CCD 信號處理電路的專用芯片VSP3010
VSP3010 是Burr - Brown 公司生產(chǎn)的用于CCD 信號處理的專用集成芯片之一,它有1 通道或3 通道的信號處理能力. 每一通道都有信號采樣、黑電平(背景直流) 調(diào)整和可編程增益放大,然后經(jīng)多路選擇器進(jìn)入采樣速率為12 MHz的12 位的A/ D. 其單通道信號流程處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示.

　圖6 為簡化的VSP3010 輸入等效電路.V CLAM P是箝位電壓,不論輸入信號的直流分量多大,都將箝位到同一個電平上,以此去除信號中的背景直流分量. 另外,在驅(qū)動脈沖CK1 和CK2 的作用下,相關(guān)雙采樣是對CCD 的每個單元輸出信號進(jìn)行兩次采樣,兩次采樣結(jié)果相減,可去除CCD 像元移位輸出中的殘留電荷對信號的影響.

VSP3010 的各種工作模式都由命令字來配置. 片內(nèi)有7 個寄存器:1 個配置寄存器(7 位) 、3個通道補償寄存器(8 位) 和3 個通道增益寄存器(5 位) . 一旦設(shè)置好寄存,VSP3010 就能正常工作. 其中,通道增益寄存器控制各通道寬帶放大器的增益,增益計算公式為: A V = 4/ (4 - 0.1 X) ,其中X 為5 位二進(jìn)制數(shù)(0～31) . 向通道增益寄存器寫入不同的X , 則放大器的增益不一樣,以此實現(xiàn)可編程放大. 通道補償寄存器用于放大器的調(diào)零.

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3. 2 　紅外CCD 信號處理電路一體化設(shè)計
為了減小體積,降低電路噪聲,提高信噪比,必須實現(xiàn)CCD 信號處理電路的一體化設(shè)計. 由于CPLD 具有集成度高、軟件編程、完全仿真、易于修改等特點[3 ] ,所以,現(xiàn)在大多使用CPLD 設(shè)計CCD 的驅(qū)動時序和其他接口控制信號,有利于電路的小型化和調(diào)試、升級.

　對于一些實時信號處理系統(tǒng),特別是成像跟蹤系統(tǒng),為了提高CCD 信號處理的運算速度,一般在硬件上實行并行處理,將模數(shù)轉(zhuǎn)換和CPU的運算同時進(jìn)行,A/ D 轉(zhuǎn)換的是下一幀數(shù)據(jù),而CPU 運算的是上一幀數(shù)據(jù). 這樣對同一塊RAM進(jìn)行操作,要求RAM 是雙口RAM. 用于存儲A/ D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的地址總線和讀寫控制信號要單獨提供,使用CPLD 直接生成最為簡潔. 因此,紅外CCD 信號處理電路的一體化設(shè)計如圖7 所示.
4 　結(jié)束語
盡管紅外CCD 信號處理電路的設(shè)計多種多樣,但在紅外成像跟蹤系統(tǒng)和紅外焦平面信號處理系統(tǒng)中,使用VSP3010 和CPLD 芯片來設(shè)計CCD 信號處理電路,會使得電路的設(shè)計和調(diào)試變得簡單,同時又能減小體積,增強系統(tǒng)的抗干擾性能. 另外,本文所介紹的去除直流電路和自動增益控制電路,也可用于其他紅外探測器輸出信號的處理電路中,因此,有著有一定的參考意義.
參考文獻(xiàn)
1 　楊宜禾,岳敏,周維真. 紅外系統(tǒng)[M] . 第二版. 北京:國防工業(yè)出版社,1995. 1732190
2 　楊振江,孫占彪,王曙梅等. 智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及其應(yīng)用[M] . 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001. 2802283
3 　宋萬杰,羅豐,吳順軍. CPLD 技術(shù)及其應(yīng)用[M] . 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999 :2211