EMBCCD驱动、信号预处理 及图像采集电路的设计制作 刘登宇 指导老师：刘广荣

报告纲要 EMCCD技术 国内外研究现状 EMCCD应用 课题以往工作介绍 课题背景 驱动电路设计 输出信号预处理电路设计 图像采集电路设计 系统测试过程及实验结果 课题优缺点 课题未来发展方向 总结

EMCCD技术简介 什么是EMCCD？ EMCCD特点 Electronic Multiplying Charge Coupled Device, 即电子倍增CCD EMCCD特点 独特的片上增益技术 高灵敏度 全固态结构 传统CCD制作工艺 CCD97 略

EMCCD技术简介 EMBCCD 背照明EMCCD（Back Illuminated EMCCD） 采用减薄技术 灵敏度更高

EMCCD、EBCCD、ICCD比较 类别 优点 缺点 ICCD (Intensified CCD) 极高灵敏度 超高速门控成像 无需制冷 成像质量较差 寿命短 价格昂贵 灵活性差(无CCD模式) EBCCD (Electronic Bombastic CCD) 最小的增益噪声 分辨力较ICCD好 EMCCD (Electronic Multiplying CCD) 量子效率高 全固态工艺 灵活性好(CCD模式) 需制冷以减少噪声 无法实现高速成像 存在增益噪声 略

Princeton Instruments 国内外EMCCD研究现状 Princeton Instruments Andor iXon CCCP 西北核技术所 略

EMCCD应用 生命 科学 天文 观测 军事 勘察 略

课题工作背景介绍 前任师兄研究成果 本人主要工作 定制直流电源 驱动电路板设计（未调试） 时序逻辑设计（本人参与） 改进时序逻辑设计 改进驱动电路设计 输出信号预处理电路设计 图像采集显示电路设计

EMCCD成像系统 电路组成框图 电源系统 FPGA 时序驱动电路 EMCCD 输出信号预处理 电路 图像采集电路

电源系统 7种规格电平CCD直流电源 4种驱动信号电平 -5V，+7V、+12V、+40V CCD97直流偏置电源规格表 沿用原有电源系统 引脚 直流电平（V） 最小值 标准值 最大值 RΦDC +2 +3 +5 OG +1 IG - -5 SS +4.5 +7 ODL,ODH +25 +28 +32 RDL,RDH +15 +17 +20 ABD +10 +18 DD +24 沿用原有电源系统 CCD97直流偏置电源规格表 7种规格电平CCD直流电源 4种驱动信号电平 -5V，+7V、+12V、+40V

时序逻辑设计-CCD97时序图 包括帧转移、行转移、水平输出三个阶段 帧转移型 CCD 工作原理图

时序逻辑设计-初期方案 初期方案 分频、积分转换、输出 三模块 输入时钟分频产生三类波形 分阶段（积分、输出）对波形进行组合

时序逻辑设计-改进方案 初始阶段 帧开头 并行转移 预扫阶段 行开始 前延迟阶段 水平转移 后延迟阶段 a b c d e f g h FSM 有限状态机

时序逻辑设计-仿真波形 帧转移-行转移阶段 与预期相符 帧转移阶段 行转移阶段

功率驱动电路设计 CCD97时序驱动脉冲电平标准 CCD97时序驱动脉冲边沿要求 FPGA输出无法直接驱动EMCCD，需加功率驱动电路 CONNECTION PULSE AMPLITUDE(V) Min Typical Max IΦ1,2,3,4high SΦ1,2,3,4 high +5 +7 +9 IΦ1,2,3,4 low SΦ1,2,3,4 low -6 -5 -4 RΦ1、2、3 high +8 +12 +13 RΦ1、2、3 low - RΦ2HV high +20 +40 +50 RΦ2HV low +4 CCD97时序驱动脉冲电平标准 FPGA输出无法直接驱动EMCCD，需加功率驱动电路 CLOCK PULSE TYPICAL RISE TIME τ(ns) TYPICAL FALL TIME τ(ns) TYPICAL PULSE OVERLAP IΦ1,2,3,4 SΦ1,2,3,4 120<τ<200 @90% points RΦ1,2,3 10 @70% points RΦ2HV 25 - CCD97时序驱动脉冲边沿要求

常规功率驱动电路设计 原有方案 改进方案 AD811：电压比较、电路放大电路 EL7457：高速四通道CMOS驱动器 存在的问题： 输出电流小 不宜驱动容性负载 波形尖峰毛刺大 边沿过渡时间长 改进方案 EL7457：高速四通道CMOS驱动器 特性： 最高支持40MHz时钟驱动 可驱动容性负载，Tr/Tf=12ns 输出电流2A 双电源供电

高电压功率驱动电路设计 两互补三极管搭建推挽放大电路 74HC04作输入端提高带负载能力 高速肖特基二极管钳位以防止三极管进入深度饱和状态

高电压功率驱动输出波形 高低电平满足要求 波形有一定失真 存在一定延时

输出信号预处理电路设计 输出信号为非标准模拟视频信号 存在较大直流偏置 存在复位噪声 需进行模数转换方便处理 CDS A/D 前置缓冲 去直流/直流恢复 CDS 相关双采样 程控增益放大 A/D 模数转换 输出信号为非标准模拟视频信号 存在较大直流偏置 存在复位噪声 需进行模数转换方便处理

CDS相关双采样 略 复位部与数据部均包含复位噪声 两次相关采样相减可得真实信号值

AD9845 CCD信号处理芯片 12Bit 30MSPS高速A/D转换器 CDS相关双采样电路 程控增益放大器 低噪声钳位电路

AD9845 CCD信号处理芯片 AD9845相关双采样工作时序图 略 AD9845暗电流钳位及消隐脉冲时序图

图像采集电路设计方案 嵌入式采集 便携性强 使用方便 图像采集卡 配置容易 图像处理功能强大 USB传输采集 灵活性好 传输速度快

图像采集电路设计 CCD输出与VGA读出时钟不匹配： CCD像素读出速率-2.5MHz VGA显示速率-40MHz(800×600) EMCCD输出图像数据 数据缓存 VGA显示控制 CCD输出与VGA读出时钟不匹配： CCD像素读出速率-2.5MHz VGA显示速率-40MHz(800×600) 存储器缓存 SRAM/SDRAM FPGA内部FIFO匹配时钟

SDRAM、VGA控制程序 略 SDRAM读写控制 接口结构框图 VGA控制器 接口框图

时序逻辑设计总体框图 略 系统时序逻辑设计总体框图

系统电路板设计 略 改进的 驱动电路板 原有驱动电路板

系统测试 EMBCCD成像系统电路实物图

测试流程 元器件焊接 电路连接检查 电源输出电压 电源纹波 驱动脉冲电平及边沿时间 驱动脉冲相对位置关系 在线逻辑分析仪时序分析 PCB板 元器件焊接 电路连接检查 电源系统 电源输出电压 电源纹波 驱动电路 驱动脉冲电平及边沿时间 驱动脉冲相对位置关系 采集显示 在线逻辑分析仪时序分析 VGA输出显示 略

测试结果-电源 电源输出电平测试结果 系统电源纹波测试 理论值（V） 测量值（V） 误差（%） +48 +48.080 0.17 +28 +28.055 0.20 +24 +24.088 0.37 +18 +18.019 0.11 +17 +17.034 +8 +8.035 0.44 +5 +5.019 0.38 +3 +3.007 0.23 -5 -5.047 0.94 -6 -6.023 电源输出电平测试结果 系统电源纹波测试

测试结果-驱动脉冲 未接负载时驱动脉冲波形图 接入负载后驱动脉冲波形图

测试结果-驱动脉冲 各驱动脉冲波形位置关系图

测试结果-CCD输出信号 CCD输出信号波形图

测试结果-图像显示 遮光前 在线逻辑分析仪测试波形图 遮光后

课题总结及工作展望 优点 缺点 未来展望 采用FPGA进行时序逻辑设计，灵活性好，易于调试及系统升级 采用状态机设计EMCCD驱动时序 采用专用驱动芯片及信号处理芯片实现驱动及采集 优点 系统电源纹波较大，导致CCD输出信号噪声较大 输出图像存在错位，无法实现稳定显示 缺点 减小系统噪声，优化时序及驱动设计 加入半导体制冷，整合系统 未来展望

答辩完毕！ 谢谢！