用于天文观测的CCD相机系统的研究

摘要：详细介绍紫金山天文台红外实验室开发的CCD相机系统的软硬件设计。根据柯达CCD芯片KAF-0401LE的时序要求，用复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现了CCD的时序；采用相关双采样技术降低探测信号噪声；用89C51作下位机控制，通过RS232与上位计算机通信；系统控制软件采用Visual C++编写。

    关键词：CCD CPLD 相关双采样 控制系统 串口通信

引言

CCD通常分为3个等级；商业级、工程级和科学级。3个级别的要求一级比一级高。衡量CCD的性能主要从以下几个方面：量子效率和响应度、噪声等效功率和探测度，即动态范围和电荷转移效率等。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测，已成为望远镜测必不可少的后端设备。国内各天文台望远镜终端都是从外围引起的成套设备，使用和维护很不方便，并且价格昂贵，因此国内迫切需要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室对这一课题进行了深入研究，广泛调研，认真选取，(凹丫丫范文网fanwen.oyaya.net收集整理)从芯片开始一直到系统的软硬件设计，搭建了自己的CDD相机系统。

1 系统设计

CCD芯片决定相机系统的性能，为此我们广泛调研，最后选定柯达公司的KAF-0401LE芯片。它动态范围大（70dB），电荷转移效率高（0.999 99），波长响应范围宽（0.4μm～1.0μm），低暗电流（在25℃条件下，7pA/cm2），量子效率为35%，并且具有抗饱和性，能够满足科学观测的要求，既可用于光谱分析，又可用于成像观测。

系统设计的重点是解决CCD芯片的驱动和系统噪声的问题。我们的设计如下：采用柯达公司的KAF-0401LE芯片作为探测器，Ateml公司的带闪存Flash的89C51作下位机控制器，复杂可编程逻辑作（CPLD）作时序发生和地址译码，采用相关双采样技术降低噪声，自带采样保持的12位A/D转换顺AD1674进行模数转换，扩展8片128Kbit（628128）的RAM作1为帧图像暂存空间，通过RS232与计算机串口通信，接受计算机的控制。整个系统由图1所示几个功能部件组成。

1.1 时序信号发生电路

KAF-0401LE芯片的时序要求：积分期间φV1、φV2保持低电平；行转移期间φH1保持高电平，φH2保持低电平。每行开始φV1的第2个脉冲下降沿后，要有1个行转移建立时间tφHs，读完行后需延迟1个像素时间te才开始下一行φV1脉冲；同样，φV1第2分脉冲下降沿后，开始下一行转移，如此直到读完1帧。

复杂可编程逻辑器件（CPLD）以其高度集成、灵活、方便的特点，在电路设计中运用越来越广泛。Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM712SLC84-15具有2500个可用逻辑门，128个宏单元，8个逻辑块，最大时钟可达147.1MHz，带有68个可供用户使用的I/O引脚，PLCC封装，可通过JTAG接口实现在线编程。我们选用EMP7128SLC84-15，通过硬件描述语言（VHDL）在集成开发环境MAX PLUS II下完成逻辑设计；编译后，通过JTAG接口下载到电路板上的EPM7128SLC84-15中，实现了KAF-0401LE芯片的时序要求。

    MAX PLUS II虽然有很丰富的元件库，但并不是针对某一应用而开发的，具有通用性，调用它固有的元件库可能造成资源的浪费，没有必要。因此我们按照需求，编制了自己的元件库，然后在程序中作为元件调用。在本系统中，仅用1片EPM7128LC84-15就实现了CCD的时序要求、暂存RAM和接口扩展芯片8255的片选和地址译码，既简化耻电路的硬件设计，提高了系统可靠性，又降低了成本。交流时序条件要求如表1所列。

表1

描    述 符号 最小值 正常值 最大值

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