高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计

康 臻，刘建平，孙 帅，蒲培培，牛 静，马世帮

（1.西安应用光学研究所 国防科技工业光学一级计量站，陕西 西安 710065；2.西安北方光电科技防务有限公司 装备研发中心，陕西 西安 710043）

引言

高分辨率光谱仪由于具有高光谱分辨率、高光通量、影像校正、高杂散光抑制比、体积小等优点，已经逐渐成为获得目标光谱信息的必备设备，用于光源光谱、荧光、发光材料等空间多点光谱的采集与高分辨率测量，可满足火炸药、特种照明灯具、军用发光材料及显示器件、航空航天遥感、军事侦察等领域对高光谱分辨率及光谱辐射参数的测试要求。

电荷耦合器件（CCD）具有灵敏度高、分辨率高、噪声小等特点，特别是线阵CCD 已成为高分辨率光谱仪的主要成像器件。因此，线阵CCD 采集系统的性能对高分辨率光谱仪尤为重要[1-4]。本文采用Altera公司的MAX X系列FPGA，结合滨松公司的S10141-1109S-01 型低噪声高分辨率线阵CCD，提出一种线阵CCD 驱动采集系统方案，通过合理的电路设计和时序设计，在高分辨率光谱仪上进行了试验验证[5-6]。

1 系统设计方案

线阵CCD 采集系统设计方案原理框图如图1所示。线阵CCD 采集系统由CCD 驱动电路及主控电路2 个部分组成。CCD 驱动电路由电平转换模块、CCD 模块、信号预处理模块及电源模块组成，主要功能是为线阵CCD 提供合适的驱动电平及驱动时序，将线阵CCD 采集到的光谱信号进行预处理并输入AD 转换模块[7-9]。主控电路由USB接口模块、FPGA 模块、AD 转换模块及电源模块组成，主要功能是为线阵CCD 提供驱动信号，并对预处理电路输出的模拟信号进行AD 采样，最后，主控电路将采集到的数字信号通过USB 接口芯片发送到上位机。

图1 线阵CCD 采集系统设计方案原理框图Fig.1 Schematic block diagram of design scheme of linear CCD acquisition system

2 CCD 驱动电路设计

2.1 CCD 模块

高分辨率光谱仪基于光电摄谱原理，光电转换器件通常选用CCD 器件。本设计CCD 模块选用滨松公司的S10141-1109S-01 型低噪声高分辨率CCD，它是一款背照式CCD，专用于科学应用中低光量探测的FFT-CCD 传感器，量子效率高，对微弱光、短波有比较好的灵敏度。通过合并（binning）操作，可以将它作为线阵图像传感器，拥有较长的光感面。与传统的信号通过外部电路数字化相加不同，binning 操作提高了信噪比和信号处理速度。该探测器还具有低噪声和低暗电流的特性（MPP 模式下），并可长时间积分实现低光量探测，增大饱和电荷量和动态范围。该探测器的光谱范围为180 nm～1 100 nm，光敏元尺寸为12 μm×12 μm，有效像素为2 048×506，灵敏度为5 μV/e-，暗电流在常温下为30 e-/pixel/s，满阱容量为500 ke-，全温度范围内读出噪声不大于18 e- rms，动态范围不小于27 700，数据输出速率不小于250 kHz。

S10141-1109S-01 探测器内部结构如图2所示，光谱响应曲线如图3所示，CCD 模块输出波形信号如图4所示。

图2 S10141-1109S-01 探测器内部结构图Fig.2 Internal structure diagram of S10141-1109S-01 detector

图3 S10141-1109S-01 探测器光谱响应曲线Fig.3 Spectral response curves of S10141-1109S-01 detector

图4 CCD 模块输出波形信号Fig.4 CCD module output waveform signal

2.2 电平转换模块

S10141-1109S-01 探测器包含列时钟1（P1V）和列时钟2（P2V）、转移栅（TG）、行时钟1（P1H）和行时钟2（P2H）、求和栅（SG）、复位栅（RG）共7 种驱动信号，P1V、P2V 和TG 信号的驱动电压范围为-9 V～3 V，P1H、P2H 和SG 信号的驱动电压范围为-7 V～7 V，RG 信号的驱动电压范围为-5 V～9 V。FPGA 输出的驱动信号为0 V～3.3 V，因此需要通过电平转换模块进行电平转换，以达到相应的驱动电压[10-11]。本设计选用Intersil 公司的EL7212型双高速双通道MOSFET 驱动器，驱动芯片上升时间为7.5 ns、下降时间为10 ns，驱动电流为2 A，满足S10141-1109S-01 探测器的使用要求。

2.3 信号预处理模块

S10141-1109S-01 探测器输出模拟信号基准电压为22 V，且光电转换输出信号幅值较低，在输入AD 转换模块前需要进行信号预处理[12]。本设计选用容值为1 μF 的陶瓷电容，首先对探测器输出信号进行隔直处理，然后通过AD 公司的低噪声高速运算放大器AD8021 进行反向放大，最后将探测器输出信号调整到适合AD 转换模块采样的电压范围。经过信号预处理模块的CCD 波形信号如图5所示。

图5 经过信号预处理模块的CCD 波形信号Fig.5 CCD waveform signal through signal preprocessing module

3 主控电路

3.1 FPGA 模块

FPGA 模块在CCD 采集系统中为CCD 探测器提供驱动信号，控制AD 转换模块将CCD 探测器的模拟输出信号进行模数转换，并将得到的数字信号通过USB 接口模块发送至上位机[13-15]。本设计选用的FPGA 为Altera 公司MAX X 系列的10M50SCE144I7G 芯片，该型号芯片具有成本低、内部集成Flash、单电源供电、IO 性能优秀、功耗极低等诸多优点。由于CCD 模块在水平方向上有2 048 个有效像元，在垂直方向上有506 行，为保证驱动时序的正确性，整个驱动时序的时间要求必须严格遵从CCD 探测器手册要求。FPGA 为CCD产生的驱动时序如图6所示。

图6 FPGA 产生的CCD 驱动时序Fig.6 CCD driving sequence generated by FPGA

3.2 AD 转换模块

由于S10141-1109S-01 探测器输出速率不小于250 kHz，为了对经过信号预处理模块的CCD 信号进行双采样，AD 转换模块的输出信号速度至少需要满足双采样的要求，AD 转换模块转换速率至少要大于250×2=500 kHz。S10141-1109S-01 探测器动态范围不小于27 700，因此，AD 转换模块输出动态范围至少要大于CCD 探测器的动态范围，16 位AD 转换模块的输出动态范围为216=65 536，可满足CCD 探测器要求[16]。综合以上因素，本设计选用AD 公司的AD7671 型号AD 转换芯片，该芯片采样速率最大可达1 MHz，分辨率为16 Bit，支持双极性及单极性输入，支持SPI 接口及并行接口，采用单5 V 电源供电，功耗典型值为112 mW，积分非线性误差为2.5 LSB。其功能框图如图7所示。

图7 AD7671 内部功能框图Fig.7 Internal function block diagram of AD7671

3.3 USB 接口模块

高分辨率光谱仪在光谱采样过程中需要做到实时采集，采样速率一般不小于30 帧/s，S10141-1109S-01 探测器1 s 内输出的数据量为2 048×16×30=983 040 bps，串口传输最快速度为115 200 bps，无法实现探测器数据的实时传输。因此，考虑到数据的传输速度及开发难度，本设计选择USB2.0接口为数据传输接口。本文选用接口芯片为Cypress公司的CY7C68013 芯片，支持12 MB/s 的全速传输和480 MB/s 的高速传输，可使用4 种USB 传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输，适用于USB2.0 并兼容USB1.1，在芯片内部集成了USB2.0 收发器、接口引擎、增强型8 051 微处理器、16 kB 的片内RAM、4 kB 的FIFO、最多5 组IO 接口、数据总线、地址总线及I2C 控制器和通用可编程I/F。其内部功能框图如图8所示。

图8 CY7C68013 内部功能框图Fig.8 Internal function block diagram of CY7C68013

4 试验结果

本设计采用Altium Designer 完成原理图及PCB 电路设计，主控电路及CCD 驱动电路的实物电路如图9所示。

图9 主控电路及CCD 驱动电路Fig.9 Main control circuit and CCD driving circuit

设计的电路在为S10141-1109S-01 探测器提供合适的驱动时序及驱动电压后，CCD 驱动电路输出信号波形如图10所示。

图10 CCD 驱动电路输出信号波形Fig.10 Output signal waveform of CCD driving circuit

将线阵CCD 采集系统应用于高分辨率光谱仪，可对汞灯谱线进行特征峰测试，高分辨率光谱仪实物如图11所示。

图11 高分辨率光谱仪Fig.11 Physical photo of high-resolution spectrometer

在253.65 nm 特征峰处，光谱仪测试得到的数据为253.565 nm，测试波长准确度为-0.085 nm，峰值1/2 处波长分别为253.596 nm 和253.534 nm，两者求差得到光谱分辨率为0.062 nm。光谱测试结果如图12所示。

图12 253.65 nm 测试结果Fig.12 253.65 nm test results

在404.65 nm 特征峰处，光谱仪测试得到的数据为404.82 nm，测试波长准确度为0.17 nm，峰值1/2 处波长分别为404.851 nm 和404.79 nm，两者求差得光谱分辨率为0.061 nm。光谱测试结果如图13所示。

图13 404.65 nm 测试结果Fig.13 404.65 nm test results

5 结论

本文提出一种基于高分辨率光谱仪的线阵CCD采集系统设计方案，通过FPGA 产生CCD 探测器的驱动时序，并控制AD 采集模块进行采样，最后通过USB2.0 接口将测得的光谱信号发送给光谱仪。通过高分辨率光谱仪对汞灯谱线进行特征峰测试，试验结果显示，该线阵CCD 采集系统具备较高的灵敏度，针对不同的光谱信号均能以较高的信噪比对汞灯谱线进行特征峰测试，光谱分辨率可达到0.062 nm，满足高分辨率光谱仪的探测要求。

随着高分辨率光谱仪的广泛应用，该设计可以满足高分辨率光谱仪对CCD 采集系统的需求，具有广泛的使用价值。