一种天文用CCD相机的电路设计

    Thomson/Atmel/e2v公司的TH7899M采用分区的垂直转移时钟和4输出放大器结构,使其具有灵活的读出模式,增加了它的天文适用性。同时,它还是一款适合空间天文应用的CCD芯片,对其进行测评具有一定的科学价值。采用TH7899M的CCD相机已有商用和科学用的产品,国家天文台CCD实验室的研究人员也成功研制过基于该CCD器件的实验相机[1]。但由于以前的相机系统采用的计算机控制和图像采集方式不便于进行某些远距离控制成像实验的研究,故需要重新进行研制。本文介绍了用于远程控制成像实验的CCD相机电路设计的基本情况和实际相机的部分测试结果。为叙述方便,将其简称为RDCCD相机。

    1 RDCCD相机系统设计要求及相机系统组成

    1.1 RDCCD相机系统总体思想及设计要求

    RDCCD相机是一种用于远程控制成像实验的天文用相机,因此,用于成像控制和图像采集的PC机可以处于不同的但远离CCD相机的位置,且要求系统具有良好的成像性能。相机采用2048@2048像元的TH7899M面阵CCD芯片,可实现的读出模式为帧转移模式(2048@1024像元),同时可选全帧模式(2048@2048像元)读出。远程PC机通过TCP/IP网络进行控制和测试命令的传输、图像数据的采集、显示和存盘等操作。

    按照TH7899M的说明书,它的光敏区可以单独划分为4部分,并且可以采用独立驱动时钟进行垂直(即行)驱动[2]。将其4个光敏区沿垂直方向分为两个部分(每一部分包含两个光敏区),一部分用作露光成像,另一部分既可以用作露光成像,又可以用作像元转移、存储,对两部分光敏区域提供单独的驱动时钟进行控制。该系统选用CCD芯片的第17种(或第14种)工作模式和VOS3、VOS4两个输出端口,实现的读出方式为帧转移模式(或全帧模式)。考虑到相机系统对AD位数、读出速率和功耗的要求,同时也考虑到尽可能简化模拟链路设计和调试,选用ADI公司的CCD高性能模拟前端(AFE)接口器件AD9824,它可完成CCD输出模拟信号的PGA放大、CDS和AD转换[3]。

    图像采集控制方面, CCD控制采集系统通过网络通信传输控制命令和采集图像数据,可以实现远程控制和图像采集。该系统采用Altera的高速大容量FPGA器件Cyclone EP1C20,具有20060个逻辑单元和2个锁相环[4],嵌入式NIOSÒ软核处理器方便用来实现网络控制命令的传输,并将AD转换后得到的14位数据先通过FIFO缓存,再存入总存储容量为16Mbytes的SDRAM中,最后通过网络将数据传到计算机,实现图像数据的采集。

    1.2 RDCCD相机系统的组成

    RDCCD相机系统包括成像装置、模拟电路系统、数字控制器以及远程终端4大部分,各模块及其信号流程图如图1所示。