用于天文观测CCD相机系统研究.PDF

电子发烧友 电子技术论坛 应用天地 APPLICATIONNOTES 用于天文观测的 相机系统研究 CCD ■ 紫金山天文台 吴建文姚永强 详细介绍紫金山天文台红外实验室开发的CCD相机系统的软硬件设计。根据柯达CCD芯片 KAF-0401LE的时序要求，用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现了CCD的时序；采用相关双采 摘 要 样技术降低探测信号噪声；用89C51作下位机控制，通过RS232与上位计算机通信；系统 控制软件采用Visual C++编写。 关键词 CCD CPLD 相关双采样 串口通信控制系统 引 言 （628128 ）的RAM 作为1帧图像暂存空间，通过RS232 与计算机串口通信，接受计算机的控制。整个系统 CCD 通常分为3 个等级：商业级、工程级和科 由图1 所示几个功能部件组成。 学级。3 个级别的要求一级比一级高。衡量CCD 的 性能主要从以下几个方面：量子效率和响应度、噪 PC机 声等效功率和探测度，即动态范围和电荷转移效率 等。科学级CCD 以其高光子转换效率、宽频谱响 单片机控制及 应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测， 暂存电路 已成为望远镜观测必不可少的后端设备。国内各天 文台望远镜终端都是从外国引进的成套设备，使用 时序信号 A/D变换 和维护很不方便，并且价格昂贵，因此国内迫切需 发生电路 要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室 电压偏置与功 CCD模块 相关双采样及 对这一课题进行了深入研究，广泛调研，认真选 率驱动电路 前置放大 模拟放大电路 取，从芯片开始一直到系统的软硬件设计，搭建了 自己的CCD 相机系统。 图1 相机系统功能方框图 1系统设计 1.1时序信号发生电路 CCD 芯片决定相机系统的性能，为此我们广泛 KAF-0401LE 芯片的时序要求：积分期间ΦV1、 调研，最后选定柯达公司的KAF-0401LE 芯片。它 ΦV2 保持低电平；行转移期间ΦH 1保持高电平， 动态范围大 （70 dB ），电荷转移效率高(0 .999 99) ， ΦH2 保持低电平。每行开始ΦV1 的第2 个脉冲下 波长响应范围宽 （0.4 μm~ 1.0 μm ），低暗电流（在 降沿后，要有1 个行转移建立时间t ΦHs ，读完行 2 25℃条件下，7pA/cm ），量子效率为35 % ，并且具 后需延迟 1个像素时间t 才开始下一行ΦV1脉冲； e 有抗饱和性，能够满足科学观测的要求，既可用于 同样，ΦV1 第2 分脉冲下降沿后，开始下一行转 光谱分析，又可用于成像观测。 移，如此直到读完 1 帧。 系统设计的重点是解决CCD 芯片的驱动和系