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1、基于单像元多点采样的 CCD 信号采集电路 王亚运 陈李 赵斌 郑亮 温中泉 徐溢 重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 摘 要： 为抑制电荷耦合器件 (CCD) 读出信号噪声并确保信号完整性, 提高微弱拉曼光谱信号的信噪比和光谱准确性, 采用了一种单像元多点采样的 CCD 信号采集新方法。分析了背照式 CCD 面阵传感器在线性合并 (line bining) 操作下的时序特点, 设计了完整帧信号捕捉算法和单像元多点采样的信号采集电路, 完成了采集电路的控制逻辑设计。测试实验结果表明, 采用该采集方法设置任意的积分时间, 均可捕捉到一帧完整的
2、光谱信号;与常规相关双采样方法相比, 其信号均方差可降低 51%63%, 极大地抑制了 CCD 探测器噪声。应用该电路成功采集了人体血液的拉曼光谱信号。关键词： 拉曼; 电荷耦合器件; 采集; 噪声; 单像元多点采样; 逻辑; 作者简介：王亚运 (1990-) , 女, 河南商丘人, 硕士生, 主要从事信号与信息处理的研究。作者简介：陈李 (1981-) , 副教授, 主要从事微纳器件及系统、精密仪器的研究。E-mail:CL。收稿日期：2017-03-06基金：国家“八六三”基金资助项目 (2015AA021104) CCD Signal Acquisition Circuit Based
3、on Single Pixel Multi-point SamplingWANG Yayun CHEN Li ZHAO Bin ZHENG Liang WEN Zhongquan XU Yi Key Disciplines Lab.of Novel Micro-nano Devices and System Technology, Chongqing University; Abstract： In order to suppress the CCD readout noise, ensure signal integrity, improve the signal-to-noise rati
4、o and spectral accuracy of weak Raman spectral signals, a new method of CCD signal acquisition for single pixel multipoint sampling is proposed in this paper.The timing characteristics of back-illuminated FFT-CCD area sensor in line binning operation are analyzed, a full frame signal acquisition alg
5、orithm is designed, a single-pixel multi-point sampling signal acquisition circuit is designed, and the control logic design of the acquisition circuit is completed.The test results show that the proposed method can be used to capture a full frame spectral signal by using this acquisition method to
6、set any integration time, and compared with the conventional correlation double sampling method, the mean square error of the signal can be reduced by 51% 63%, which greatly suppresses the CCD detector noise.In addition, the Raman spectrum signal of human blood has been successfully collected by usi
7、ng this circuit.Keyword： Raman; CCD; acquisition; noise; single pixel multi-point sampling; logic; Received： 2017-03-060 引言拉曼光谱是一种无损的分析技术, 拉曼光谱包含分子振动或转动的信息, 因而又称分子的“指纹谱”。拉曼光谱受水分子的干扰小, 在化学、材料、生物等研究领域有着重要应用。但是, 拉曼散射信号极其微弱, 极易淹没在噪声中, 信噪比很低1-3, 给拉曼光谱信号的探测和采集提出了较高的要求。电荷耦合器件 (CCD) 探测器是一种多通道阵列探测器, 可以探测紫外、可
8、见和近红外光。CCD 探测器感光度高、允许多通道操作 (可以在一次采集中获得整段光谱数据) , 适合微弱拉曼信号的探测4-5。CCD 探测器存在复位噪声和随机噪声, 对拉曼光谱信号有较大影响。因此, 如何有效地抑制 CCD 的噪声, 提高信噪比, 是实现拉曼光谱高质量采集的关键。抑制 CCD 复位噪声主要采用相关双采样技术 (CDS) , 即在一个信号输出周期内, 分别对复位电平和信号电平进行采样, 并使两次采样的时间间隔远小于时间常数, 然后将信号电平与复位电平进行差分以抑制复位噪声, 但此法只能在一定程度上抑制复位噪声, 对随机噪声无能为力6-7。对于随机噪声, 目前主要采用软件滤波的方式
9、进行处理, 通常需要采集多帧光谱信号, 极大地增加了处理时间, 尤其对于需要长时间积分的微弱拉曼光谱信号而言, 实时性较差。本文采用了一种单像元多点采样的新方法。在一个信号输出周期内, 对信号电平和复位电平进行多次采集, 并分别求取信号电平和复位电平的平均值, 再将二者的平均值求取差分, 进而同时实现抑制复位噪声和随机噪声的目的, 且只需采集一帧光谱信号, 实时性好。同时, 为了获取完整的帧数据, 确保光谱信号的准确性, 本文采用了一种完整帧信号的捕捉方法。1 单像元多点采样原理当 CCD 探测器的读出电路中的电荷-电压转换器放电时, 产生复位噪声, 且在同一个像元周期内复位噪声基本保持不变。
10、相关双采样电路利用这一特点, 分别对同一像元内的复位电平和信号电平采样, 然后二者差分, 得到有效信号电平8-9。为了同时抑制复位噪声和随机噪声, 本文采用单像元多点采样方法。如图 1 所示, 该方法的原理是在一个信号输出周期内, 产生 2 N 个采样脉冲 (N 值可根据需要进行设置) , 这样每个像元的复位电平和信号电平分别有 N 个采样点。对 N 个复位电平采样点和 N 个信号电平采样点分别求取平均值, 然后对两个平均值求差得到像元有效信号电平。此处理过程可表示为式中:s i、r i (i=1, 2, , N) 分别为信号电平和复位电平的采样点;N 为二者的单像元内采样点数;Y 为最终的有
11、效信号电平。图 1 单像元多点采样原理图 下载原图2 CCD 采集电路的控制逻辑设计本文以现场可编程门阵列 (FPGA) 为控制中心, 完成外围电路的控制和采集时序的生成, 以及对拉曼光谱信号的处理。整个系统包括 CCD 探测器、可编程放大、高精度模数转换 (ADC) 、FPGA 控制器、USB 微控制器等模块, 以及上位机信号采集软件。其工作过程如下:首先, 电路上电后, FPGA 产生 CCD 探测器的驱动时序, 完成光信号到电信号的转换;其次, 当用户通过 PC 端拉曼光谱采集软件对下位机发送制冷、放大、采集等控制命令时, FPGA 通过 USB 微控制器芯片接收这些命令, 并通过相应的
12、功能模块来响应执行。FPGA 控制器是整个系统的关键部分, 其控制逻辑系统可划分为几个模块:CCD 探测器的驱动模块、信号的可编程放大控制模块、信号的 ADC 控制模块、光谱信号完整帧捕捉模块、光谱信号的处理模块及 USB 通信控制模块。其整体逻辑框图如图 2 所示。其中, 光谱信号的完整帧捕捉模块、光谱信号的处理模块是核心模块, 也是该采集系统设计区别于其他采集系统的部分。图 2 CCD 采集电路的整体设计框图 下载原图2.1 ADC 控制模块单像元多点采样方法要求 ADC 芯片的采样率达到 CCD 探测器读出信号频率的 2 N 倍, 从而获取多个信号电平和复位电平采样点。本文选用滨松公司
13、S10141-1107S 型 CCD 探测器, 设置其输出信号频率为 31.25kHz。A/D 转换控制模块产生 250kHz 的采样脉冲, 对 CCD 输出信号进行采样, 每个信号输出周期采集 8 个采样点 (即 N=4) 。A/D 转换控制模块对系统时钟分频得到 250kHz 的数据采集时钟 ad_cnvst。如图3 所示, 用在线逻辑分析仪 Signal TapII 对该模块进行测试。图中时间刻度单位是 1s, 0 时刻是一个有效像元的起始时刻, 经过 32s, 是该像元的结束时刻。数据采集时钟 ad_cnvst 在此期间共产生 8 个信号采样脉冲;采样完成的标志信号 busy 也相应出
14、现 8 个脉冲, 证明该 A/D 转换控制模块成功完成了 8 个数据点的采样。图 3 多点采样方法的数据采时序测试 下载原图2.2 完整帧捕捉模块由于 S10141-1107S 型 CCD 探测器的积分时间可任意设置并实时可调, 阵列的前后都各有 10 个无效像元, 且 CCD 没有输出同步信号, 因此需要准确识别出一帧信号的起始和结束位置, 从而保证拉曼光谱信号的帧完整性和谱峰的准确性。在线性合并 (Line Bining) 工作模式下, S10141-1107S 型号 CCD 探测器的驱动信号 Start、CLK 与 CCD 读出信号的时序图如图 4 所示。CLK 频率决定了垂直像元转移频
15、率和水平像元转移频率 (CCD 信号读出频率) 。Start 与 CCD 读出信号间隔了 128 (垂直方向像元个数) 个垂直像元转移时钟周期与电荷转移到水平寄存器时间之和。因此, 当 CCD 探测器的驱动时钟 CLK 的频率确定时, 垂直像元转移时钟频率和 CCD 输出信号频率确定, 且 Start 信号的上升沿到 CCD 帧信号起始位置的时间 T 也是一定的。图 4 CCD 探测器驱动信号与其输出时序图 下载原图利用上述信号之间的时序关系, 本文设计一个计数周期与 Start 周期一致的计数器。根据 CLK 频率, 计算出一帧 CCD 信号内有效像元 (丢掉首尾各 10 个无效像元数据)
16、对应的计数器计数值范围。同时, 利用 Start 信号上升沿锁存采集命令, 当锁存的采集命令与计数器计数范围同时有效, 则产生一个完整帧信号标志位, 此标志位有效, 代表捕捉到了完整帧信号 (由有效像元组成, 不包括无效像元) 。图 5 为完整帧捕捉模块的 ModelSim 仿真图。图中, tridata 代表CCD 帧信号, 当采集命令出 (pccontrol 为 0) 时, 完整帧信号标志位在 CCD 帧信号产生期间变为高电平, 并在一帧信号结束时, 变为了低电平, 说明该模块实现了完整帧的捕捉功能。图 5 完整帧准确采集模块的 ModelSim 仿真图 下载原图图 6 为在线逻辑分析仪 Signaltap 对该模块的实际测试结果。图中, CCD 像元标志信号由 CCD 探测器驱动头输出, 该信号出现在每个像元的 7/8 周期处, 故一个脉冲可以代表一个像元信号输出。由于 S10141-1107S 型号 CCD 水平像元前后各有 10 个无效像元, 因此, 本文采集
