通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法，该系统包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括两个模拟信号板卡、FPGA板卡以及量化采样板卡；电子倍增CCD器件背板的输出端口连接相关双采样电路的输入端口，相关双采样电路的输出端口连接NI主机中量化采样板卡的输入端口。本发明专利技术通过NI主机设置与修改转移时钟驱动信号的时序、幅值、频率等参数，便于针对不同型号电子倍增CCD的驱动。

Universal electron multiplying CCD drive system and its method

The invention discloses a universal type electron multiplying CCD drive system and method, the system includes a NI host, CCD device, electron multiplier backplane transfer clock driver circuit, drive circuit, clock multiplier first DC bias voltage circuit and second A DC bias voltage circuit B, correlated double sampling circuit and power supply to provide a stable working voltage the circuit of the NI host includes two analog signal board, FPGA board and quantitative sampling board; the output port of the electron multiplying CCD device backplane connection correlated double sampling circuit input port, correlated double sampling circuit output port connected to quantify host NI sampling board input port. By setting and modifying the timing, amplitude, frequency and other parameters of the transfer clock driving signal by the NI host, the invention is convenient for the drive of different types of electron multiplying CCD.

【技术实现步骤摘要】
通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法
本专利技术属于微光成像与测试
，特别是一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法。
技术介绍
近年来，CCD在工业检测、安防监控、天文观测和空间探测等领域得到广泛应用，应用范围由可见光拓展到微光环境。夜间或者低照度环境条件下比较微弱的光或是能量低到不足以引起人类视觉感官的光，泛称为微光。微光成像技术则是在远低于正常光的照度下进行成像的技术，其原理是增强夜间微光条件或在低照度条件下通过微光成像器件获取目标的微弱光学信号，从而实现在微光条件下直接观察目标，它的最大优势就在于无需人工主动照明，直接依靠背景光的光反射成像。传统的微光成像技术的图像增强手段主要有三种技术：一是用图像增强器件与CCD摄像器件通过纤维光学系统耦合而得到增强图像，即ICCD技术；二是采用电子轰击CCD模式来获得增强图像，即EBCCD技术；三是在信号电荷读出时利用“雪崩效应”，对信号进行电荷级别放大从而增强图像，即EMCCD。基于这三种技术，有了目前使用较广的三种CCD传感器，即像增强CCD(ICCD)、电子轰击电耦合CCD(EBCCD)和电子倍增CCD(EMCCD)。但是，ICCD背景噪声大，图像存在失真，影响了系统性能；而EBCCD由于其采用电子束直接轰击CCD，导致对CCD的损伤非常大，工作寿命短，成品率低，限制了EBCCD实际应用。电子倍增CCD(EMCCD)是将可控的全固态电子倍增寄存器嵌入到固体成像器件中，使信号电荷在连续读出过程中得到倍增增强，即完成信号的“片内放大”，实现超高灵敏度的成像探测。因为EMCCD对信号进行电荷级别的放大，所以无需像增强器即可完成在低照度条件下较为清晰的成像，同时EMCCD的读出噪声不会随着读出频率的增加而增大，使得读出噪声可以降到最小，具备高速成像的条件。美国TI公司基于impactronTM技术，率先推出低噪声、高灵敏度、小尺寸的黑白图像传感器TC系列。与此同时，英国E2V公司于2001年通过商业渠道获得了EMCCD技术，其生产的CCD65芯片器件首次采用了L3(LowLightLever)成像技术，读出噪声可以降低到1个电子rms，随后还推出CCD07、CCD201等芯片。Andor公司通过多年的研究，推出了名为L3Vision的CCD60、CCD65等相机。近年来，国外很多公司都开始涉足基于电子倍增CCD器件芯片的相机制作，例如英国的安道尔(Andor)、日本的滨松(Hamamatsu)。伴随着半导体制造工艺与生产工艺上的先后突破，美国、英国、俄罗斯和乌克兰等国家在EMCCD的制造方面取得了不少成果。例如俄罗斯的Geo2sphera公司与Electron公司合作建成的基于片上增益的CCD像管生产线；美国的ScientificImagingTechnologies公司生产的512*512pixel的CCD产品，已经广泛应用近贴聚焦型片上增益CCD，并且这些国家拥有成熟的电子倍增CCD驱动及测试平台。综上，电子倍增CCD是一种新型固态成像器件，采用片上增益技术实现了和ICCD相近的高灵敏度，有低噪声、高量子效率等优点，在微光成像探测这方面有广阔的应用发展前景。我国在电子倍增CCD方面的研究处于起步阶段，电子倍增CCD的生产工艺落后于国外发达国家，没有建立标准的电子倍增CCD芯片性能测试指标和测试系统。目前国外的电子倍增CCD驱动和测试系统通常只针对一种型号芯片，而国内的电子倍增CCD驱动系统的发展着重于小型化相机的研制，同样只适用于单一型号电子倍增CCD的驱动，这样在使用时具有很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法，可实现对多种型号电子倍增CCD器件的驱动。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种通用型电子倍增CCD驱动系统及其方法，包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括第一模拟信号板卡A和第二模拟信号板卡B、FPGA板卡以及量化采样板卡，FPGA板卡的两个输出端口分别连接转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路和相关双采样电路的输入端口，第一模拟信号板卡A的输出端口连接第一直流偏置电压电路A上的输入端口，第二模拟信号板卡B的输出端口连接第二直流偏置电压电路B上的输入端口，第一直流偏置电压电路A的输出端口连接转移时钟驱动电路的输入端口，第二直流偏置电压电路B的输出端口、时钟驱动电路的输出端口和倍增时钟驱动电路的输出端口分别连接电子倍增CCD器件背板的三个输入端口；电子倍增CCD器件背板的输出端口连接相关双采样电路的输入端口，相关双采样电路的输出端口连接NI主机中量化采样板卡的输入端口。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)通过NI主机，设置与修改转移时钟驱动信号的时序、幅值、频率等参数，便于针对不同型号电子倍增CCD的驱动。(2)通过NI主机，设置与修改倍增时钟驱动信号的幅值与频率等参数，便于针对不同型号电子倍增CCD器件的驱动。(3)通过NI主机，设置与修改模拟电平信号的幅值，该模拟电平信号由模拟信号板卡发送至直流偏置电压电路，经直流偏置电压电路的放大器单元对电压信号进行放大，从而改变转移时钟驱动信号与直流偏置电压信号的幅值，便于不同型号电子倍增CCD的驱动。(4)系统硬件电路里采用DC-DC芯片进行电压转换，为各芯片提供工作电压，利用DC-DC电源高效率低功耗的优点，降低系统整体功耗。(5)系统的硬件电路具有兼容性和通用性，只需替换电子倍增CCD器件背板，即可满足目前多种型号电子倍增CCD的驱动。(6)通过NI主机，将量化采样板卡得到的图像信号进行量化与采样，在显示器上实时成像，并以图像数据形式保存，方便后续的分析处理。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术的总体结构示意图。图2是本专利技术时钟驱动电路中电压转换单元的连接示意图。图3是本专利技术倍增时钟驱动电路滤波放大单元的连接示意图。图4是本专利技术可直流偏置电压电路中放大单元的连接示意图。图5是本专利技术相关双采样电路中相关双采样单元的连接示意图。图6是系统控制主界面的示意图。图7是使用电子倍增CCD芯片TC253的室外成像图。图8是使用电子倍增CCD芯片CCD97的室内成像图。具体实施方式结合图1，本专利技术通用型电子倍增CCD驱动系统，包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括第一模拟信号板卡A和第二模拟信号板卡B、FPGA板卡以及量化采样板卡，FPGA板卡的两个输出端口分别连接转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路和相关双采样电路的输入端口，第一模拟信号板卡A的输出端口连接第一直流偏置电压电路A上的输入端口，第二模拟信号板卡B的输出端口连接第二直流偏置电压电路B上的输入端口，第一直流偏置电压电路A的输出端口连接转移时钟驱动电路的输入端口，第二直流偏置电压电路B的输出端口、时钟驱动电路的输出端口和倍增时钟驱动电路的输出端口分别连接电子倍增CCD器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括第一模拟信号板卡A和第二模拟信号板卡B、FPGA板卡以及量化采样板卡，FPGA板卡的两个输出端口分别连接转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路和相关双采样电路的输入端口，第一模拟信号板卡A的输出端口连接第一直流偏置电压电路A上的输入端口，第二模拟信号板卡B的输出端口连接第二直流偏置电压电路B上的输入端口，第一直流偏置电压电路A的输出端口连接转移时钟驱动电路的输入端口，第二直流偏置电压电路B的输出端口、时钟驱动电路的输出端口和倍增时钟驱动电路的输出端口分别连接电子倍增CCD器件背板的三个输入端口；电子倍增CCD器件背板的输出端口连接相关双采样电路的输入端口，相关双采样电路的输出端口连接NI主机中量化采样板卡的输入端口。

【技术特征摘要】
1.一种通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于包括NI主机、电子倍增CCD器件背板、转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路、第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B、相关双采样电路以及为上述电路提供稳定工作电压的供电电源，NI主机包括第一模拟信号板卡A和第二模拟信号板卡B、FPGA板卡以及量化采样板卡，FPGA板卡的两个输出端口分别连接转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路和相关双采样电路的输入端口，第一模拟信号板卡A的输出端口连接第一直流偏置电压电路A上的输入端口，第二模拟信号板卡B的输出端口连接第二直流偏置电压电路B上的输入端口，第一直流偏置电压电路A的输出端口连接转移时钟驱动电路的输入端口，第二直流偏置电压电路B的输出端口、时钟驱动电路的输出端口和倍增时钟驱动电路的输出端口分别连接电子倍增CCD器件背板的三个输入端口；电子倍增CCD器件背板的输出端口连接相关双采样电路的输入端口，相关双采样电路的输出端口连接NI主机中量化采样板卡的输入端口。2.根据权利要求1所述的通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于所述供电电源包括电源V1、V2、V3，电源V1的电压输出端口连接转移时钟驱动电路和相关双采样电路的电源管脚，电源V2的电压输出端口连接直流偏置电压电路的电源管脚，电源V3的电压输出端口连接倍增时钟驱动电路的电源管脚。3.根据权利要求1所述的通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于所述的转移时钟驱动电路包括信号转换单元和电压转换单元，每个信号转换单元的信号输入管脚接收到NI主机发送的低压差分形式时序信号后，将低压差分输入信号转换为CMOS电平信号，每个信号转换单元的各个输出管脚分别与电压转换单元的输入管脚连接，将不同的时钟驱动信号发送到电压转换单元；每个电压转换单元根据第一直流偏置电压电路A发送的电压值，分别将其对应的时钟驱动信号进行电压转换，信号的高、低电平转换为驱动电子倍增CCD器件工作所需要的电压值；各电压转换单元通过传输线与电子倍增CCD器件背板连接，提供电子倍增CCD器件工作所需的时钟驱动信号。4.根据权利要求1所述的通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于所述的第一直流偏置电压电路A、第二直流偏置电压电路B的电路板结构相同，第一、第二直流偏置电压电路均包括放大单元和二极管保护单元，放大单元和二极管保护单元连接，每个放大单元都能接收NI主机对应模拟信号板卡发送的模拟电压信号，按照运算放大器设置的反馈增益，将模拟电压放大，经过二极管保护单元，防止电压出现尖峰；第一直流偏置电压电路A的输出端口与转移时钟驱动电路的电压转换单元连接，将对应的模拟电压发送到电压转换单元。5.根据权利要求1所述的通用型电子倍增CCD驱动系统，其特征在于所述的倍增时钟驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟基，卢斯洋，曾超林，陈钱，顾国华，张闻文，钱惟贤，隋修宝，任侃，于雪莲，李宏哲，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32