摘　要:由于紅外CCD 的輸出為高背景、寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào),所以在該信號(hào)的處理電路中,去除直流高背景和自動(dòng)增益對(duì)于濾除背景噪聲、提取目標(biāo)信號(hào)必不可少. 通過(guò)分析紅外CCD 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)要求,介紹了應(yīng)用于該信號(hào)處理的幾種常用電路的設(shè)計(jì)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(hào)處理電路的一體化設(shè)計(jì)方法.
關(guān)鍵詞:紅外CCD ;電路設(shè)計(jì);增益控制;信號(hào)處理;CPLD

　紅外CCD 與可見(jiàn)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(hào)與可見(jiàn)光CCD 相比具有一定的差異. 一般說(shuō)來(lái),紅外CCD 輸出的是高背景、低反差的信號(hào),其動(dòng)態(tài)范圍比較寬,信噪比比較低[1 ] . 在信號(hào)放大時(shí)若不將背景噪聲去掉,放大器將把信號(hào)和背景噪聲同時(shí)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(hào)相對(duì)于背景噪聲非常微弱時(shí),由于電容具有積分特性,使用隔直耦合電容會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響. 另外,CCD 輸出信號(hào)不能看作高頻周期信號(hào),因而對(duì)周期信號(hào)所采取的處理方法也無(wú)法使用. 因此,在紅外CCD 信號(hào)處理電路中,需要設(shè)計(jì)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(shí),CCD 接收到的紅外輻射非常小,產(chǎn)生的信號(hào)也很小. 當(dāng)成像跟蹤系統(tǒng)距離目標(biāo)很近時(shí),CCD 接收到的紅外輻射非常強(qiáng),其信號(hào)強(qiáng)度往往要增大幾十倍、幾百倍,甚至幾千倍. 對(duì)于這一大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)輸入,其放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)可調(diào),不能固定不變. 因此,在紅外CCD 信號(hào)處理電路中,需要設(shè)計(jì)自動(dòng)增益放大電路.
1 　去除直流(高背景) 的電路設(shè)計(jì)
去除直流(高背景) 的電路原理框圖可如圖1 所示. 其設(shè)計(jì)思想是:紅外成像跟蹤系統(tǒng)在目標(biāo)跟蹤過(guò)程中,不斷輸出采集的數(shù)據(jù). CPU 對(duì)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(hào)到來(lái)時(shí),CPU 將該數(shù)據(jù)輸出并鎖存到并行口上,經(jīng)過(guò)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(hào)的直流分量. 這是因?yàn)槌上窀欉^(guò)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(dòng)電路(消除固定直流分量) 相比,其優(yōu)點(diǎn)是:能夠根據(jù)CCD 的
輸出自動(dòng)調(diào)整差分放大器反相端的直流分量.

圖片：

圖片：

2 　增益控制電路的設(shè)計(jì)
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(hào)強(qiáng)度的放大要求. 此電路的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn),其電路原理框圖如圖2 所示. CCD 信號(hào)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(kāi)始時(shí),CPLD 根據(jù)鎖存的三位數(shù),自動(dòng)選擇放大倍數(shù),輸出控制信號(hào),使相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)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(hào),它使得CPLD 只在每一幀的開(kāi)始時(shí)改變放大倍數(shù),也就是說(shuō)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(duì)D15 、D14 、D13進(jìn)行比較并鎖存最大值. CPLD 自動(dòng)選擇放大倍數(shù)的編程思想是:若D15 、D14 、D13 中有兩個(gè)為1 ,說(shuō)明輸入信號(hào)較強(qiáng),將放大倍數(shù)減小一倍;若D15 、D14 同時(shí)為0 ,則說(shuō)明輸入信號(hào)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(gè)1 K的電阻串聯(lián),CL K 信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)決定滑動(dòng)端P的移動(dòng)次數(shù),滑動(dòng)端P 每次移動(dòng)以1 K為單位,D/ U 信號(hào)控制滑動(dòng)端P 的移動(dòng)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(hào)有所不同而已. 使用這種電路容易實(shí)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.

圖片：

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(lái)實(shí)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(gè)常數(shù). 電路中放大倍數(shù)的改變必然會(huì)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(lái)選擇寬帶放大器,以確保電路增益自動(dòng)控制時(shí),電路的帶寬滿足信號(hào)處理的需要.

圖片：

圖片：

3 　使用專用集成電路進(jìn)行CCD 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
3. 1 　CCD 信號(hào)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(hào)處理的專用集成芯片之一,它有1 通道或3 通道的信號(hào)處理能力. 每一通道都有信號(hào)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(hào)流程處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示.

　圖6 為簡(jiǎn)化的VSP3010 輸入等效電路.V CLAM P是箝位電壓,不論輸入信號(hào)的直流分量多大,都將箝位到同一個(gè)電平上,以此去除信號(hào)中的背景直流分量. 另外,在驅(qū)動(dòng)脈沖CK1 和CK2 的作用下,相關(guān)雙采樣是對(duì)CCD 的每個(gè)單元輸出信號(hào)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(duì)信號(hào)的影響.

VSP3010 的各種工作模式都由命令字來(lái)配置. 片內(nèi)有7 個(gè)寄存器:1 個(gè)配置寄存器(7 位) 、3個(gè)通道補(bǔ)償寄存器(8 位) 和3 個(gè)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(jì)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(xiě)入不同的X , 則放大器的增益不一樣,以此實(shí)現(xiàn)可編程放大. 通道補(bǔ)償寄存器用于放大器的調(diào)零.

圖片：

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

　對(duì)于一些實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng),特別是成像跟蹤系統(tǒng),為了提高CCD 信號(hào)處理的運(yùn)算速度,一般在硬件上實(shí)行并行處理,將模數(shù)轉(zhuǎn)換和CPU的運(yùn)算同時(shí)進(jìn)行,A/ D 轉(zhuǎn)換的是下一幀數(shù)據(jù),而CPU 運(yùn)算的是上一幀數(shù)據(jù). 這樣對(duì)同一塊RAM進(jìn)行操作,要求RAM 是雙口RAM. 用于存儲(chǔ)A/ D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的地址總線和讀寫(xiě)控制信號(hào)要單獨(dú)提供,使用CPLD 直接生成最為簡(jiǎn)潔. 因此,紅外CCD 信號(hào)處理電路的一體化設(shè)計(jì)如圖7 所示.
4 　結(jié)束語(yǔ)
盡管紅外CCD 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)多種多樣,但在紅外成像跟蹤系統(tǒng)和紅外焦平面信號(hào)處理系統(tǒng)中,使用VSP3010 和CPLD 芯片來(lái)設(shè)計(jì)CCD 信號(hào)處理電路,會(huì)使得電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試變得簡(jiǎn)單,同時(shí)又能減小體積,增強(qiáng)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(dòng)增益控制電路,也可用于其他紅外探測(cè)器輸出信號(hào)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(guó)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(wàn)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