CCD观测相机视频处理电路的设计

    电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)以其灵敏度高,噪声低,分辨率高等特点被广泛应用于天文观测、航天和遥感遥测、工业测控等领域中.

    CCD输出的信号必须进行视频处理才能为后续电路使用.其目的就是尽可能地消除各种噪声和干扰,但又不损失图像细节;并且保证在CCD的动态范围内图像信号随目标亮度成线性变化,同时为了便于计算机处理和大容量存储,还必须对CCD输出信号进行数字化处理.

    传统的视频处理方法是由各自独立的器件完成,此方法电路复杂,调试困难,功耗比较大,采用CCD专用视频信号处理芯片VSP2212设计了CCD观测相机视频处理电路系统.该系统集成度高,功耗小,调试简单,性能上也更优越,使CCD观测相机朝着轻量化、小型化方向发展奠定了良好的基础.

    1 传统的CCD观测相机视频处理方法

    传统的CCD观测相机视频处理电路主要包括模拟前置放大,相关双采样,增益设置,A/D模数转换等几部分组成.CCD视频信号处理电路的组成结构框图如图1所示.

    2 视频信号处理器VSP2212结构及工作原理

    VSP2212是Burr-Brown推出的新款视频信号处理器.它对电荷耦合器件(CCD)阵列输出的模拟图像信号进行处理,改善信号质量.

    VSP2212集成了相关双采样(CDS)、可编程增益(PGA)、模数转换(ADC)、暗电平钳位等传统独立电路实现的功能,这样减小了体积和功耗,提高了系统的性能.VSP2212具有良好的输入信号钳位和CDS输入偏移校正性能,并提供暗电平钳位给出准确的暗电平参考.其性能参数有:12 bit A/D转换频率可达20 MHz,PGA范围-6~+42 dB.VSP2212的最低电压为2.7~3.6 V,最低功耗99 mW,而且噪声低(信噪比为79 dB)[3],功耗仅为99 mW.其功能框图如图2所示.

    其内部集成的主要功能模块有:

    2.1 相关双采样CDS

    在CCD输出像元N的信号周期内对参考电平和视频电平分别采样,并将2个采样电平经差动放大器输出,得到视频信号Vout.图3为CDS和输入钳位原理图.

    2.2 输入钳位和哑像元(DUMMY PIXEL)钳位

    因为进入CDS的信号是电容耦合过来的,去掉了直流分量.输入钳位的目的就是为了恢复直流偏置.

    2.3 暗像元(OPTICAL BLACK)钳位

    VSP2212的输入端通常需要加隔直电容,如图3中的CIN,仅将交流的视频信号输入到CDS中.由于光强、温度、供电电压的缓慢变化都会使视频输出信号的暗参考电平出现波动,为了精确地恢复视频信号,需要建立良好的暗电平参考.