專利名稱：一種低分辨率adc實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬電學(xué)領(lǐng)域，涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其涉及一種針對CCD相機(jī)利用低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
CXD相機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于天文探測，其光譜范圍覆蓋300nm-1100nm之間。為了充分利用CCD探測器的動態(tài)范圍，在設(shè)計(jì)CCD信號處理電路選擇ADC時，應(yīng)盡量滿足ADC的動態(tài)范圍大于CXD的動態(tài)范圍。目前的C⑶尤其科學(xué)級C⑶的動態(tài)范圍高達(dá)IO5 1，甚至 IO6 1，此時若要滿足DRADe彡DRem,則必須選擇分辨率為18-20bit的ADC。而高等級、高性能的高分辨率ADC較少且價格昂貴，所以在信號處理電路中，通常出現(xiàn)以下兩種情況1)犧牲了 CCD高端動態(tài)范圍，保證了相機(jī)的靈敏度，即相機(jī)系統(tǒng)通道增益小(系統(tǒng)通道增益G定義為相機(jī)系統(tǒng)每讀出一個ADC量化單位所對應(yīng)的電子數(shù))；2)犧牲了相機(jī)的靈敏度，保證了 CXD的高端動態(tài)范圍。CCD相機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于其他信號處理系統(tǒng)最根本的不同點(diǎn)是它的噪聲譜密度跟信號大小有密切關(guān)系。CCD相機(jī)系統(tǒng)噪聲主要由光子噪聲、復(fù)位噪聲、暗信號噪聲和讀出噪聲組成。其中，暗信號噪聲可以通過對CCD器件進(jìn)行制冷，使暗信號噪聲減小。而光子噪聲和信號大小息息相關(guān)。當(dāng)CCD探測大信號時，光子噪聲為CCD相機(jī)系統(tǒng)的主要噪聲；當(dāng)CCD探測小信號時，讀出噪聲為CCD相機(jī)系統(tǒng)的主要噪聲。根據(jù)CCD相機(jī)系統(tǒng)噪聲特性，用低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，主要是通過粗細(xì)量化的思想來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用η bit高分辨ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)通道增益為G = ^(e-/LSB)其中Sfw為滿阱電荷容量。當(dāng)采用(n-m)bit的低分辨率ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并采用粗細(xì)量化的思想，系統(tǒng)通道增益G為大信號探測時，系統(tǒng)通道增益G大G大ILSB)其中Sfw為滿阱電荷容量。小信號探測時，將其放大2m倍后，系統(tǒng)通道增益=LSB)其中^為滿阱電荷容量。當(dāng)大信號探測時，直接采用低分辨率ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會使系統(tǒng)通道增益增加，相機(jī)的探測靈敏度降低，但由于此時信號較強(qiáng)，光子噪聲為主要噪聲，因此不會影響相機(jī)對大信號的探測；當(dāng)小信號探測時，將信號放大2m倍后，再用(n-m)bit的低分辨率ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時的系統(tǒng)通道增益與采用nbit高分辨ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的相同，相機(jī)的探測靈敏度并未由于ADC分辨率的降低而降低，從而保證了小信號探測時的精度。[0014]對于低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)方法是用一個(n-m)bit低分辨率ADC，一個放大電路和一個模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換，參見圖1所示。該方案首先將經(jīng)模擬前端處理后的CCD視頻信號，與設(shè)定的閾值進(jìn)行模擬比較，判斷是強(qiáng)光信號還是弱光信號；然后根據(jù)判斷結(jié)果選擇相應(yīng)的放大電路進(jìn)行放大，同時將所選的放大倍數(shù)送給數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)提供的放大倍數(shù)對ADC轉(zhuǎn)換的(n-m)位數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。該方案需要進(jìn)行模擬比較，模擬比較會引起數(shù)據(jù)傳輸鏈路中的延時。而且電路中需增加增益數(shù)據(jù)線，將所選的放大倍數(shù)送給數(shù)據(jù)處理單元，以備數(shù)據(jù)處理單元正確地處理數(shù)據(jù)所用。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種延遲小、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、信噪比高以及應(yīng)用范圍廣的針對CCD相機(jī)低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，其特殊之處在于所述系統(tǒng)包括對焦平面組件FPA產(chǎn)生的CCD模擬信號進(jìn)行后級預(yù)處理的預(yù)處理單元、對預(yù)處理后的CCD模擬視頻信號進(jìn)行放大的放大單元、將放大后的視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及將低位量化結(jié)果轉(zhuǎn)換為高位量化結(jié)果的轉(zhuǎn)換單元；所述預(yù)處理單元、放大單元以及轉(zhuǎn)換單元依次電性連接。上述系統(tǒng)還包括用于對高位量化結(jié)果進(jìn)行偏置修正的修正單元，所述修正單元和轉(zhuǎn)換單元相連。上述預(yù)處理單元包括緩沖放大單元以及和緩沖放大單元相連接的相關(guān)雙采樣單兀。上述放大單元是兩個具有不同放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器。上述轉(zhuǎn)換單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元以及與數(shù)據(jù)處理單元相連的粗、 細(xì)量化結(jié)果自動切換單元。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、延遲小、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)。本實(shí)用新型所提供的針對一種低分辨率 ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)改變傳統(tǒng)先比較再放大的方式，直接采用不同放大倍數(shù)的運(yùn)放進(jìn)行首先放大，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，本實(shí)用新型利用粗細(xì)量化的思想來實(shí)現(xiàn)低分辨率ADC達(dá)到高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換。正是因?yàn)橛蓛蓚€具有不同放大倍數(shù)的運(yùn)放，一個雙通道(n-m)bitADC和一個FPGA組成，直接對模擬信號同時進(jìn)行粗、細(xì)量化。無需模擬比較處理，可以減少模擬比較處理所引起的延遲，有利于整個信號處理鏈數(shù)據(jù)傳輸速率的提高， 在FPGA中對信號大小進(jìn)行數(shù)字比較，完成粗細(xì)量化結(jié)果自動切換，輸出η bit ADC量化值。 同時，本實(shí)用新型采用FPGA進(jìn)行數(shù)字比較，不但比較結(jié)果準(zhǔn)確，而且不易受噪聲的影響和干擾。2、信噪比高、應(yīng)用范圍廣。本實(shí)用新型在完成對CCD相機(jī)低位ADC向高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的同時還對ADC進(jìn)行了圖像偏置的修正，有效抑制了整個視頻處理鏈路偏置的不穩(wěn)定性而引起的CCD圖像數(shù)據(jù)偏置波動，提高信噪比，從而擴(kuò)大了 CCD相機(jī)的動態(tài)范圍。 同時，由于本實(shí)用新型簡單易行，可移植性強(qiáng)?？稍谠械南鄼C(jī)視頻處理電路的基礎(chǔ)上稍加改動即可擴(kuò)大CCD相機(jī)的動態(tài)范圍。
圖1是傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換流程示意圖；圖2是本實(shí)用新型所提供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括對焦平面組件FPA產(chǎn)生的CXD模擬信號進(jìn)行后級預(yù)處理的預(yù)處理單元、對預(yù)處理后的 CCD模擬視頻信號進(jìn)行放大的放大單元、將放大后的視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及將低位量化結(jié)果轉(zhuǎn)換為高位量化結(jié)果的轉(zhuǎn)換單元；預(yù)處理單元、放大單元以及轉(zhuǎn)換單元依次電性連接。預(yù)處理單元包括緩沖放大單元以及和緩沖放大單元相連接的相關(guān)雙采樣單元。放大單元包括兩個不同放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器。轉(zhuǎn)換單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元以及與數(shù)據(jù)處理單元相連的粗、細(xì)量化結(jié)果自動切換單元。數(shù)據(jù)處理單元同時起到對粗、細(xì)量化結(jié)果進(jìn)行鎖存，在每個像元周期內(nèi)進(jìn)行多次采集，分別計(jì)算該像元粗、細(xì)量化值的多次采集累加和對粗、細(xì)量化結(jié)果自動切換后的值進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接和歸一化處理等功能。為了有效降低視頻處理鏈路因工作溫度、元器件老化等因素而引起的CXD圖像數(shù)據(jù)偏置波動，本實(shí)用新型在上述系統(tǒng)提供的同時，還提供了用于對高位量化結(jié)果進(jìn)行偏置修正的修正單元，修正單元和轉(zhuǎn)換單元相連。修正單元可以是現(xiàn)有的常用的任何一種能起到偏置修正功能的單元或電路都是可行的。
權(quán)利要求1.一種針對低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括對焦平面組件FPA產(chǎn)生的CXD模擬信號進(jìn)行后級預(yù)處理的預(yù)處理單元、對預(yù)處理后的CXD 模擬視頻信號進(jìn)行放大的放大單元、將放大后的視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及將低位量化結(jié)果轉(zhuǎn)換為高位量化結(jié)果的轉(zhuǎn)換單元；所述預(yù)處理單元、放大單元以及轉(zhuǎn)換單元依次電性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括用于對高位量化結(jié)果進(jìn)行偏置修正的修正單元，所述修正單元和轉(zhuǎn)換單元相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的針對低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于所述預(yù)處理單元包括緩沖放大單元以及和緩沖放大單元相連接的相關(guān)雙采樣單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的針對低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于所述放大單元是是兩個具有不同放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的針對低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)換單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)處理單元以及與數(shù)據(jù)處理單元相連的粗、細(xì)量化結(jié)果自動切換單元。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種針對CCD相機(jī)利用低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括對焦平面組件FPA產(chǎn)生的CCD模擬信號進(jìn)行后級預(yù)處理的預(yù)處理單元、對預(yù)處理后的CCD模擬視頻信號進(jìn)行放大的放大單元、將放大后的視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及將低位量化結(jié)果轉(zhuǎn)換為高位量化結(jié)果的轉(zhuǎn)換單元；預(yù)處理單元、放大單元以及轉(zhuǎn)換單元依次電性連接。本實(shí)用新型提供了一種延遲小、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、信噪比高以及應(yīng)用范圍廣的針對CCD相機(jī)低分辨率ADC實(shí)現(xiàn)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。
文檔編號H03M1/18GK202135116SQ20112019040
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者姚大雷, 文延, 江寶鉭, 汶德勝, 邱躍洪, 陳智, 高博 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所