摘　要:由于紅外CCD 的輸出為高背景、寬動態范圍的信號,所以在該信號的處理電路中,去除直流高背景和自動增益對于濾除背景噪聲、提取目標信號必不可少. 通過分析紅外CCD 信號處理電路的設計要求,介紹了應用于該信號處理的幾種常用電路的設計方法. 最后,著重闡述了基于CPLD(復雜可編程邏輯器件) 和VSP3010 的CCD 信號處理電路的一體化設計方法.
關鍵詞:紅外CCD ;電路設計;增益控制;信號處理;CPLD

　紅外CCD 與可見光CCD 在成像原理上是一樣的,但紅外CCD 接受的是紅外輻射,它的輸
出信號與可見光CCD 相比具有一定的差異. 一般說來,紅外CCD 輸出的是高背景、低反差的信號,其動態范圍比較寬,信噪比比較低[1 ] . 在信號放大時若不將背景噪聲去掉,放大器將把信號和背景噪聲同時放大,因而造成放大器飽和. 若直接用隔直耦合電容去除直流高背景噪聲,在信號相對于背景噪聲非常微弱時,由于電容具有積分特性,使用隔直耦合電容會對信號產生影響. 另外,CCD 輸出信號不能看作高頻周期信號,因而對周期信號所采取的處理方法也無法使用. 因此,在紅外CCD 信號處理電路中,需要設計去除高背景直流分量的專用電路. 當紅外CCD 成像跟蹤系統距離目標很遠時,CCD 接收到的紅外輻射非常小,產生的信號也很小. 當成像跟蹤系統距離目標很近時,CCD 接收到的紅外輻射非常強,其信號強度往往要增大幾十倍、幾百倍,甚至幾千倍. 對于這一大動態范圍的信號輸入,其放大電路的放大倍數應當自動可調,不能固定不變. 因此,在紅外CCD 信號處理電路中,需要設計自動增益放大電路.
1 　去除直流(高背景) 的電路設計
去除直流(高背景) 的電路原理框圖可如圖1 所示. 其設計思想是:紅外成像跟蹤系統在目標跟蹤過程中,不斷輸出采集的數據. CPU 對前一幀采集的數據進行處理,找出直流分量的大小,按一定比例(該比例取決于電路的放大倍數) 轉換成相應的數據,在下一幀起始信號到來時,CPU 將該數據輸出并鎖存到并行口上,經過D/A 轉換和放大變成一定的直流分量,加到差分放大器的反相端,以此抵消下一幀信號的直流分量. 這是因為成像跟蹤過程中,相鄰兩幀圖像發生突變的可能性不大,可以用前一幀的直流分量為下一幀提供參考.

該電路與恒流源負載電平移動電路(消除固定直流分量) 相比,其優點是:能夠根據CCD 的
輸出自動調整差分放大器反相端的直流分量.

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2 　增益控制電路的設計
增益控制電路的目的是使放大倍數可調,以適應不同信號強度的放大要求. 此電路的設計常用多量程方式、數字電位器方式和可編程增益放大器方式.
2. 1 　多量程方式

多量程方式通常借助電子開關來實現,其電路原理框圖如圖2 所示. CCD 信號經放大器后進入A/ D , 將A/ D 輸出的最高三位輸入到CPLD(復雜可編程邏輯器件) 并鎖存. 在一幀數據采樣輸入期間,鎖存的數據與輸入的數據不斷比較,在CPLD 中鎖存的總是最大三位數. 在下一幀數據輸入開始時,CPLD 根據鎖存的三位數,自動選擇放大倍數,輸出控制信號,使相應的電子開關打開或閉合,改變放大器的反饋電阻,達到增大或減小放大倍數的目的. Fs 是幀信號,它使得CPLD 只在每一幀的開始時改變放大倍數,也就是說在一幀數據采集期間,放大倍數不能改變.
若A/ D 為16 位,則CPLD 對D15 、D14 、D13進行比較并鎖存最大值. CPLD 自動選擇放大倍數的編程思想是:若D15 、D14 、D13 中有兩個為1 ,說明輸入信號較強,將放大倍數減小一倍;若D15 、D14 同時為0 ,則說明輸入信號較小,將放大倍數增大一倍.

2. 2 　數字電位器方式
圖3 (a) 所示的是100 K數字電位器的工作原理示意圖[2 ] ,其內部結構好像是100 個1 K的電阻串聯,CL K 信號的脈沖個數決定滑動端P的移動次數,滑動端P 每次移動以1 K為單位,D/ U 信號控制滑動端P 的移動方向(向下或向上) .
圖3 (b) 所示的是使用數字電位器的增益控制電路示意圖,CPLD 的作用和編程思想與多量程方式的增益控制電路相同,只是輸出信號有所不同而已. 使用這種電路容易實現多檔位的增益控制,可應用在要求放大倍數可調比較多的電路中.

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2. 3 　可編程增益放大器方式
該方式是直接采用現有的可編程增益放大器集成電路來實現增益控制,其電路原理框圖如圖4 所示. 這方面的IC 有: PGA103 、PGA204 、AD526 、AD620 、THS7001 等,其增益控制都只有固定的幾檔. 有的放大倍數是1 、2 、4 、8 、16 倍;有的放大倍數是1 、10 、100 、1000 倍. 增益設置方式有:電阻設置法、引腳設置法、軟件設置法. CPLD的作用和編程思想與前面介紹的兩種增益控制電路相同.

由電子電路理論可知:放大電路的帶寬與放大倍數的乘積是一個常數. 電路中放大倍數的改變必然會使電路的帶寬減小. 所以,一定要根據電路需要的最小帶寬和可能調節的最大放大倍數,來選擇寬帶放大器,以確保電路增益自動控制時,電路的帶寬滿足信號處理的需要.

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3 　使用專用集成電路進行CCD 信號處理電路的設計
3. 1 　CCD 信號處理電路的專用芯片VSP3010
VSP3010 是Burr - Brown 公司生產的用于CCD 信號處理的專用集成芯片之一,它有1 通道或3 通道的信號處理能力. 每一通道都有信號采樣、黑電平(背景直流) 調整和可編程增益放大,然后經多路選擇器進入采樣速率為12 MHz的12 位的A/ D. 其單通道信號流程處理電路結構框圖如圖5 所示.

　圖6 為簡化的VSP3010 輸入等效電路.V CLAM P是箝位電壓,不論輸入信號的直流分量多大,都將箝位到同一個電平上,以此去除信號中的背景直流分量. 另外,在驅動脈沖CK1 和CK2 的作用下,相關雙采樣是對CCD 的每個單元輸出信號進行兩次采樣,兩次采樣結果相減,可去除CCD 像元移位輸出中的殘留電荷對信號的影響.

VSP3010 的各種工作模式都由命令字來配置. 片內有7 個寄存器:1 個配置寄存器(7 位) 、3個通道補償寄存器(8 位) 和3 個通道增益寄存器(5 位) . 一旦設置好寄存,VSP3010 就能正常工作. 其中,通道增益寄存器控制各通道寬帶放大器的增益,增益計算公式為: A V = 4/ (4 - 0.1 X) ,其中X 為5 位二進制數(0～31) . 向通道增益寄存器寫入不同的X , 則放大器的增益不一樣,以此實現可編程放大. 通道補償寄存器用于放大器的調零.

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3. 2 　紅外CCD 信號處理電路一體化設計
為了減小體積,降低電路噪聲,提高信噪比,必須實現CCD 信號處理電路的一體化設計. 由于CPLD 具有集成度高、軟件編程、完全仿真、易于修改等特點[3 ] ,所以,現在大多使用CPLD 設計CCD 的驅動時序和其他接口控制信號,有利于電路的小型化和調試、升級.

　對于一些實時信號處理系統,特別是成像跟蹤系統,為了提高CCD 信號處理的運算速度,一般在硬件上實行并行處理,將模數轉換和CPU的運算同時進行,A/ D 轉換的是下一幀數據,而CPU 運算的是上一幀數據. 這樣對同一塊RAM進行操作,要求RAM 是雙口RAM. 用于存儲A/ D 轉換數據的地址總線和讀寫控制信號要單獨提供,使用CPLD 直接生成最為簡潔. 因此,紅外CCD 信號處理電路的一體化設計如圖7 所示.
4 　結束語
盡管紅外CCD 信號處理電路的設計多種多樣,但在紅外成像跟蹤系統和紅外焦平面信號處理系統中,使用VSP3010 和CPLD 芯片來設計CCD 信號處理電路,會使得電路的設計和調試變得簡單,同時又能減小體積,增強系統的抗干擾性能. 另外,本文所介紹的去除直流電路和自動增益控制電路,也可用于其他紅外探測器輸出信號的處理電路中,因此,有著有一定的參考意義.
參考文獻
1 　楊宜禾,岳敏,周維真. 紅外系統[M] . 第二版. 北京:國防工業出版社,1995. 1732190
2 　楊振江,孫占彪,王曙梅等. 智能儀器與數據采集系統中的新器件及其應用[M] . 西安:西安電子科技大學出版社,2001. 2802283
3 　宋萬杰,羅豐,吳順軍. CPLD 技術及其應用[M] . 西安:西安電子科技大學出版社,1999 :2211