摘要：安全防范系統中，圖像的生成當前主要是來自CCD相機，CCD是電荷耦合器件(chargecoupleddevice)的簡稱，它能夠將光線變為電荷并將電荷存儲及轉移，也可將存儲之電荷取出使電壓發生變化。文章發表在《科學學研究》上，是天文論文發表范文，供同行參考。

　　關鍵詞：CCD,CPLD,相關雙采樣,控制系統,串口通信

　　電荷耦合器件是理想的CCD相機元件，以其構成的CCD相機具有體積小、重量輕、不受磁場影響、具有抗震動和撞擊之特性而被廣泛應用。詳細介紹紫金山天文臺紅外實驗室開發的CCD相機系統的軟硬件設計。根據柯達CCD芯片KAF-0401LE的時序要求，用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現了CCD的時序;采用相關雙采樣技術降低探測信號噪聲;用89C51作下位機控制，通過RS232與上位計算機通信;系統控制軟件采用Visual C++編寫。

　　引言

　　國內各天文臺望遠鏡終端都是從外圍引起的成套設備，使用和維護很不方便，并且價格昂貴，因此國內迫切需要發展自己的CCD技術。紫金山天文臺紅外實驗室對這一課題進行了深入研究，廣泛調研，認真選取，從芯片開始一直到系統的軟硬件設計，搭建了自己的CDD相機系統。

　　1 系統設計

　　CCD芯片決定相機系統的性能，為此我們廣泛調研，最后選定柯達公司的KAF-0401LE芯片。它動態范圍大(70dB)，電荷轉移效率高(0.999 99)，波長響應范圍寬(0.4μm～1.0μm)，低暗電流(在25℃條件下，7pA/cm2)，量子效率為35%，并且具有抗飽和性，能夠滿足科學觀測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測。

　　系統設計的重點是解決CCD芯片的驅動和系統噪聲的問題。我們的設計如下：采用柯達公司的KAF-0401LE芯片作為探測器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機控制器，復雜可編程邏輯作(CPLD)作時序發生和地址譯碼，采用相關雙采樣技術降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉換順AD1674進行模數轉換，擴展8片128Kbit(628128)的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過RS232與計算機串口通信，接受計算機的控制。整個系統由圖1所示幾個功能部件組成。

　　1.1 時序信號發生電路

　　KAF-0401LE芯片的時序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平;行轉移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開始φV1的第2個脈沖下降沿后，要有1個行轉移建立時間tφHs，讀完行后需延遲1個像素時間te才開始下一行φV1脈沖;同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開始下一行轉移，如此直到讀完1幀。

　　1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路

　　我們采用能夠滿足高頻要求的放大器LF356N設計雙采樣和模擬放大電路。根據CCD的動態范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數轉換。

　　RSL是CCD復位電平，光信號相當于SGL與RSL的差值，理論上只要分別在RSL和SGL處各采樣一次，然后相減便得到信號的值。然而，實際上RSL和SGL并不是理想的水平線，而是存在著低頻起伏噪聲。為了降低噪聲的影響，通常的做法是，分別在RSL和SGL處多次采樣求平均，這樣對硬件和數據處理軟件的要求都很高。我們這里采用了積分型相關雙采樣技術，CCD信號分別經過同相和反相放大器連到模擬開關輸入端。模擬開關S1打開時，RSL通過電容積分;s2打開時，SGL信號經電容積分;s3打開輸入端接地，信號保持不變;s4為復位開關。

　　CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件，可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。

　　天文核心期刊發表：《科學學研究》雜志為中國科學學與科技政策研究會創辦，并與中國科學院科技政策與管理科學研究所、清華大學科學技術與社會研究中心合辦的綜合性學術期刊。主要發表科學學、科技政策、科技管理方面具有一定理論見解和研究水平的學術論文、調查報告和典型案例，以推動創新研究，促進學術交流為主旨。從2001年起，本刊被列入國家科技部中國科技論文統計源期刊。