基于FPGA的CCD低噪声成像电路技术研究

论文摘要

在对宇宙的不断探索中,对太阳系外类地行星进行搜索发现,已经成为当今国际天文学研究的热点。获得太阳系外行星图像是确认它们存在的间接证据,作为更广泛的光谱研究的前奏,并且是朝着获得太阳系外行星表面的解析空间成像的远期未来目标迈出的第一步。所以,CCD作为太阳系外行星图像采集的重要载体,对它的研究与使用将具有重要的科学意义。本文基于项目指标要求和CCD成像的工作原理,设计了一种基于FPGA的全帧转移型科学级CCD(TH7888A)低噪声成像系统。研究工作主要包含CCD低噪声成像系统的硬件电路设计及其驱动时序的产生,具体研究内容如下:1)设计了一款基于FPGA的CCD低噪声读出电路设计。通过使用Proteus对成像系统的读出电路进行了设计及仿真测试。并计算得到低噪声读出电路的信噪比,验证了成像电路设计的合理性。2)设计了一个结构简单且性能稳定的科学级CCD低噪声成像电路。以E2V公司的科学级CCD(TH7888A)作为成像系统的核心器件设计的低噪声成像电路包括:CCD外围电路,AD外围电路,低噪声电源产生电路,Camera Link硬件接口电路等处理模块。通过各个模块的协调工作,搭建了信号处理的硬件环境。3)设计了一个基于FPGA的低噪声时序信号产生模块。CCD低噪声成像系统的时序产生模块主要包括:TH7888A的驱动时序,AD的寄存器配置时序及采样时序,FIFO存储器的配置等。根据各个模块之间的工作时序逻辑关系,进行相应的逻辑设计,最终得到所需的相互关联的低噪声逻辑时钟信号。4)对整个低噪声成像电路进行了实验验证。在实际环境中搭建了测试平台,对成像系统的硬件电路及低噪声逻辑时序都进行了详细测试。实验结果表明,各个功能模块电路都实现了设计要求,产生的低噪声逻辑时序也都符合实际需求,并最终实现图像数据的实时传输与显示。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的背景和意义
•   1.2 太阳系外行星探测的研究现状及趋势
•     1.2.1 太阳系外行星探测方法
•     1.2.2 太阳系外行星探测的CCD成像系统研究现状
•     1.2.3 成像系统研究目标
•   1.3 本课题创新性
•   1.4 本论文研究内容
•   1.5 论文基本结构
• 第二章 用于太阳系外行星探测的CCD低噪声读出电路设计
•   2.1 CCD低噪声读出电路设计
•     2.1.1 去高直流电路
•     2.1.2 放大倍数可调放大电路
•     2.1.3 低通滤波电路
•     2.1.4 全差分双相关采样电路
•   2.2 实验结果与分析
•     2.2.1 去高直流电路实验结果
•     2.2.2 放大倍数可调放大电路实验结果
•     2.2.3 低通滤波电路实验结果
•     2.2.4 全差分双相关采样电路实验结果
•     2.2.5 FPGA时序分析
•   2.3 数据分析
•   2.4 PCB版图设计
•   2.5 本章小结
• 第三章 用于太阳系外行星探测的CCD硬件成像电路设计
•   3.1 低噪声电源模块设计
•     3.1.1 LM317的工作原理
•     3.1.2 成像系统电源模块电路设计
•   3.2 CCD外围驱动电路
•     3.2.1 TH7888A的工作原理
•     3.2.2 CCD外围电路设计
•   3.3 AD外围驱动电路
•     3.3.1 ADDI7100的工作原理
•     3.3.2 AD外围电路设计
•   3.4 时序脉冲电平转换电路
•     3.4.1 EL7457芯片工作原理
•     3.4.2 电平转换电路设计
•   3.5 Camera Link成像电路
•     3.5.1 Camera Link工作原理
•     3.5.2 Camera Link接口电路设计
•   3.6 本章小结
• 第四章 用于太阳系外行星探测的成像电路的驱动程序设计
•   4.1 ZYNQ7000 性能分析
•   4.2 CCD驱动时序设计
•   4.3 AD驱动时序设计
•   4.4 异步FIFO存取程序设计
•   4.5 本章小结
• 第五章 CCD成像系统测试
•   5.1 成像系统硬件电路调试
•     5.1.1 电源测试
•     5.1.2 成像电路测试
•     5.1.3 Camera Link接口电路测试
•   5.2 成像系统驱动时序调试
•   5.3 成像系统光电联调
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
•   本文总结
•   未来工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 狄腊梅

导师: 张志勇

关键词: 成像系统,低噪声,太阳系外行星探测

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 天文学,无线电电子学

单位: 西北大学

分类号: TN70;P111

总页数: 65

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