高分辨率光譜儀線陣CCD采集系統設計

康 臻，劉建平，孫 帥，蒲培培，牛 靜，馬世幫

（1.西安應用光學研究所 國防科技工業光學一級計量站，陜西 西安 710065；2.西安北方光電科技防務有限公司 裝備研發中心，陜西 西安 710043）

引言

高分辨率光譜儀由于具有高光譜分辨率、高光通量、影像校正、高雜散光抑制比、體積小等優點，已經逐漸成為獲得目標光譜信息的必備設備，用于光源光譜、熒光、發光材料等空間多點光譜的采集與高分辨率測量，可滿足火炸藥、特種照明燈具、軍用發光材料及顯示器件、航空航天遙感、軍事偵察等領域對高光譜分辨率及光譜輻射參數的測試要求。

電荷耦合器件（CCD）具有靈敏度高、分辨率高、噪聲小等特點，特別是線陣CCD 已成為高分辨率光譜儀的主要成像器件。因此，線陣CCD 采集系統的性能對高分辨率光譜儀尤為重要[1-4]。本文采用Altera公司的MAX X系列FPGA，結合濱松公司的S10141-1109S-01 型低噪聲高分辨率線陣CCD，提出一種線陣CCD 驅動采集系統方案，通過合理的電路設計和時序設計，在高分辨率光譜儀上進行了試驗驗證[5-6]。

1 系統設計方案

線陣CCD 采集系統設計方案原理框圖如圖1所示。線陣CCD 采集系統由CCD 驅動電路及主控電路2 個部分組成。CCD 驅動電路由電平轉換模塊、CCD 模塊、信號預處理模塊及電源模塊組成，主要功能是為線陣CCD 提供合適的驅動電平及驅動時序，將線陣CCD 采集到的光譜信號進行預處理并輸入AD 轉換模塊[7-9]。主控電路由USB接口模塊、FPGA 模塊、AD 轉換模塊及電源模塊組成，主要功能是為線陣CCD 提供驅動信號，并對預處理電路輸出的模擬信號進行AD 采樣，最后，主控電路將采集到的數字信號通過USB 接口芯片發送到上位機。

圖1 線陣CCD 采集系統設計方案原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of design scheme of linear CCD acquisition system

2 CCD 驅動電路設計

2.1 CCD 模塊

高分辨率光譜儀基于光電攝譜原理，光電轉換器件通常選用CCD 器件。本設計CCD 模塊選用濱松公司的S10141-1109S-01 型低噪聲高分辨率CCD，它是一款背照式CCD，專用于科學應用中低光量探測的FFT-CCD 傳感器，量子效率高，對微弱光、短波有比較好的靈敏度。通過合并（binning）操作，可以將它作為線陣圖像傳感器，擁有較長的光感面。與傳統的信號通過外部電路數字化相加不同，binning 操作提高了信噪比和信號處理速度。該探測器還具有低噪聲和低暗電流的特性（MPP 模式下），并可長時間積分實現低光量探測，增大飽和電荷量和動態范圍。該探測器的光譜范圍為180 nm～1 100 nm，光敏元尺寸為12 μm×12 μm，有效像素為2 048×506，靈敏度為5 μV/e-，暗電流在常溫下為30 e-/pixel/s，滿阱容量為500 ke-，全溫度范圍內讀出噪聲不大于18 e- rms，動態范圍不小于27 700，數據輸出速率不小于250 kHz。

S10141-1109S-01 探測器內部結構如圖2所示，光譜響應曲線如圖3所示，CCD 模塊輸出波形信號如圖4所示。

圖2 S10141-1109S-01 探測器內部結構圖Fig.2 Internal structure diagram of S10141-1109S-01 detector

圖3 S10141-1109S-01 探測器光譜響應曲線Fig.3 Spectral response curves of S10141-1109S-01 detector

圖4 CCD 模塊輸出波形信號Fig.4 CCD module output waveform signal

2.2 電平轉換模塊

S10141-1109S-01 探測器包含列時鐘1（P1V）和列時鐘2（P2V）、轉移柵（TG）、行時鐘1（P1H）和行時鐘2（P2H）、求和柵（SG）、復位柵（RG）共7 種驅動信號，P1V、P2V 和TG 信號的驅動電壓范圍為-9 V～3 V，P1H、P2H 和SG 信號的驅動電壓范圍為-7 V～7 V，RG 信號的驅動電壓范圍為-5 V～9 V。FPGA 輸出的驅動信號為0 V～3.3 V，因此需要通過電平轉換模塊進行電平轉換，以達到相應的驅動電壓[10-11]。本設計選用Intersil 公司的EL7212型雙高速雙通道MOSFET 驅動器，驅動芯片上升時間為7.5 ns、下降時間為10 ns，驅動電流為2 A，滿足S10141-1109S-01 探測器的使用要求。

2.3 信號預處理模塊

S10141-1109S-01 探測器輸出模擬信號基準電壓為22 V，且光電轉換輸出信號幅值較低，在輸入AD 轉換模塊前需要進行信號預處理[12]。本設計選用容值為1 μF 的陶瓷電容，首先對探測器輸出信號進行隔直處理，然后通過AD 公司的低噪聲高速運算放大器AD8021 進行反向放大，最后將探測器輸出信號調整到適合AD 轉換模塊采樣的電壓范圍。經過信號預處理模塊的CCD 波形信號如圖5所示。

圖5 經過信號預處理模塊的CCD 波形信號Fig.5 CCD waveform signal through signal preprocessing module

3 主控電路

3.1 FPGA 模塊

FPGA 模塊在CCD 采集系統中為CCD 探測器提供驅動信號，控制AD 轉換模塊將CCD 探測器的模擬輸出信號進行模數轉換，并將得到的數字信號通過USB 接口模塊發送至上位機[13-15]。本設計選用的FPGA 為Altera 公司MAX X 系列的10M50SCE144I7G 芯片，該型號芯片具有成本低、內部集成Flash、單電源供電、IO 性能優秀、功耗極低等諸多優點。由于CCD 模塊在水平方向上有2 048 個有效像元，在垂直方向上有506 行，為保證驅動時序的正確性，整個驅動時序的時間要求必須嚴格遵從CCD 探測器手冊要求。FPGA 為CCD產生的驅動時序如圖6所示。

圖6 FPGA 產生的CCD 驅動時序Fig.6 CCD driving sequence generated by FPGA

3.2 AD 轉換模塊

由于S10141-1109S-01 探測器輸出速率不小于250 kHz，為了對經過信號預處理模塊的CCD 信號進行雙采樣，AD 轉換模塊的輸出信號速度至少需要滿足雙采樣的要求，AD 轉換模塊轉換速率至少要大于250×2=500 kHz。S10141-1109S-01 探測器動態范圍不小于27 700，因此，AD 轉換模塊輸出動態范圍至少要大于CCD 探測器的動態范圍，16 位AD 轉換模塊的輸出動態范圍為216=65 536，可滿足CCD 探測器要求[16]。綜合以上因素，本設計選用AD 公司的AD7671 型號AD 轉換芯片，該芯片采樣速率最大可達1 MHz，分辨率為16 Bit，支持雙極性及單極性輸入，支持SPI 接口及并行接口，采用單5 V 電源供電，功耗典型值為112 mW，積分非線性誤差為2.5 LSB。其功能框圖如圖7所示。

圖7 AD7671 內部功能框圖Fig.7 Internal function block diagram of AD7671

3.3 USB 接口模塊

高分辨率光譜儀在光譜采樣過程中需要做到實時采集，采樣速率一般不小于30 幀/s，S10141-1109S-01 探測器1 s 內輸出的數據量為2 048×16×30=983 040 bps，串口傳輸最快速度為115 200 bps，無法實現探測器數據的實時傳輸。因此，考慮到數據的傳輸速度及開發難度，本設計選擇USB2.0接口為數據傳輸接口。本文選用接口芯片為Cypress公司的CY7C68013 芯片，支持12 MB/s 的全速傳輸和480 MB/s 的高速傳輸，可使用4 種USB 傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸，適用于USB2.0 并兼容USB1.1，在芯片內部集成了USB2.0 收發器、接口引擎、增強型8 051 微處理器、16 kB 的片內RAM、4 kB 的FIFO、最多5 組IO 接口、數據總線、地址總線及I2C 控制器和通用可編程I/F。其內部功能框圖如圖8所示。

圖8 CY7C68013 內部功能框圖Fig.8 Internal function block diagram of CY7C68013

4 試驗結果

本設計采用Altium Designer 完成原理圖及PCB 電路設計，主控電路及CCD 驅動電路的實物電路如圖9所示。

圖9 主控電路及CCD 驅動電路Fig.9 Main control circuit and CCD driving circuit

設計的電路在為S10141-1109S-01 探測器提供合適的驅動時序及驅動電壓后，CCD 驅動電路輸出信號波形如圖10所示。

圖10 CCD 驅動電路輸出信號波形Fig.10 Output signal waveform of CCD driving circuit

將線陣CCD 采集系統應用于高分辨率光譜儀，可對汞燈譜線進行特征峰測試，高分辨率光譜儀實物如圖11所示。

圖11 高分辨率光譜儀Fig.11 Physical photo of high-resolution spectrometer

在253.65 nm 特征峰處，光譜儀測試得到的數據為253.565 nm，測試波長準確度為-0.085 nm，峰值1/2 處波長分別為253.596 nm 和253.534 nm，兩者求差得到光譜分辨率為0.062 nm。光譜測試結果如圖12所示。

圖12 253.65 nm 測試結果Fig.12 253.65 nm test results

在404.65 nm 特征峰處，光譜儀測試得到的數據為404.82 nm，測試波長準確度為0.17 nm，峰值1/2 處波長分別為404.851 nm 和404.79 nm，兩者求差得光譜分辨率為0.061 nm。光譜測試結果如圖13所示。

圖13 404.65 nm 測試結果Fig.13 404.65 nm test results

5 結論

本文提出一種基于高分辨率光譜儀的線陣CCD采集系統設計方案，通過FPGA 產生CCD 探測器的驅動時序，并控制AD 采集模塊進行采樣，最后通過USB2.0 接口將測得的光譜信號發送給光譜儀。通過高分辨率光譜儀對汞燈譜線進行特征峰測試，試驗結果顯示，該線陣CCD 采集系統具備較高的靈敏度，針對不同的光譜信號均能以較高的信噪比對汞燈譜線進行特征峰測試，光譜分辨率可達到0.062 nm，滿足高分辨率光譜儀的探測要求。

隨著高分辨率光譜儀的廣泛應用，該設計可以滿足高分辨率光譜儀對CCD 采集系統的需求，具有廣泛的使用價值。