摘要：詳細介紹紫金山天文臺紅外實驗室開發(fā)的CCD相機系統(tǒng)的軟硬件設計。根據柯達CCD芯片KAF-0401LE的時序要求，用復雜可編程邏輯器件（CPLD）實現了CCD的時序；采用相關雙采樣技術降低探測信號噪聲；用89C51作下位機控制，通過RS232與上位計算機通信；系統(tǒng)控制軟件采用Visual C++編寫。

關鍵詞：CCD CPLD 相關雙采樣 控制系統(tǒng) 串口通信

引言

CCD通常分為3個等級；商業(yè)級、工程級和科學級。3個級別的要求一級比一級高。衡量CCD的性能主要從以下幾個方面：量子效率和響應度、噪聲等效功率和探測度，即動態(tài)范圍和電荷轉移效率等�？茖W級CCD以其高光子轉換效率、寬頻譜響應、良好線性度和寬動態(tài)范圍廣泛用于天文觀測，已成為望遠鏡測必不可少的后端設備。國內各天文臺望遠鏡終端都是從外圍引起的成套設備，使用和維護很不方便，并且價格昂貴，因此國內迫切需要發(fā)展自己的CCD技術。紫金山天文臺紅外實驗室對這一課題進行了深入研究，廣泛調研，認真選取，從芯片開始一直到系統(tǒng)的軟硬件設計，搭建了自己的CDD相機系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

CCD芯片決定相機系統(tǒng)的性能，為此我們廣泛調研，最后選定柯達公司的KAF-0401LE芯片。它動態(tài)范圍大（70dB），電荷轉移效率高（0.999 99），波長響應范圍寬（0.4μm～1.0μm），低暗電流（在25℃條件下，7pA/cm2），量子效率為35%，并且具有抗飽和性，能夠滿足科學觀測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測。

系統(tǒng)設計的重點是解決CCD芯片的驅動和系統(tǒng)噪聲的問題。我們的設計如下：采用柯達公司的KAF-0401LE芯片作為探測器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機控制器，復雜可編程邏輯作（CPLD）作時序發(fā)生和地址譯碼，采用相關雙采樣技術降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉換順AD1674進行模數轉換，擴展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過RS232與計算機串口通信，接受計算機的控制。整個系統(tǒng)由圖1所示幾個功能部件組成。

1.1 時序信號發(fā)生電路

KAF-0401LE芯片的時序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平；行轉移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開始φV1的第2個脈沖下降沿后，要有1個行轉移建立時間tφHs，讀完行后需延遲1個像素時間te才開始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開始下一行轉移，如此直到讀完1幀。

復雜可編程邏輯器件（CPLD）以其高度集成、靈活、方便的特點，在電路設計中運用越來越廣泛。Altera公司的復雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個可用邏輯門，128個宏單元，8個邏輯塊，最大時鐘可達147.1MHz，帶有68個可供用戶使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過JTAG接口實現在線編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過硬件描述語言（VHDL）在集成開發(fā)環(huán)境MAX PLUS II下完成邏輯設計；編譯后，通過JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實現了KAF-0401LE芯片的時序要求。

MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對某一應用而開發(fā)的，具有通用性，調用它固有的元件庫可能造成資源的浪費，沒有必要。因此我們按照需求，編制了自己的元件庫，然后在程序中作為元件調用。在本系統(tǒng)中，僅用1片EPM7128LC84-15就實現了CCD的時序要求、暫存RAM和接口擴展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡化恥電路的硬件設計，提高了系統(tǒng)可靠性，又降低了成本。交流時序條件要求。

描 述符號最小值正常值最大值φH1、φH2時鐘頻率/MHzfH　1015φV1、φV2時鐘頻率/kHzfV　100125周期/nste67100　φH1、φH2建立時間/μstφHS0.51　φV1、φV2脈沖/μstφv45　復位時鐘脈寬/nstφR1020　讀出時間/mstreadout3450　每行讀出時間/μstline65.895.6　

1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路

我們采用能夠滿足高頻要求的放大器LF356N設計雙采樣和模擬放大電路。根據CCD的動態(tài)范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數轉換。

雙采樣原理如圖2所示。RSL是CCD復位電平，光信號相當于SGL與RSL的差值，理論