科学级CCD相机研究及电气电路设计

分 类 号 ： 单 位 代 码 ： 10110学 号 ： S20070373中 北 大 学硕 士 学 位 论 文科 学 级 CCD 相 机 研 究 及 电 气 电 路 设 计硕 士 研 究 生 朱 庆 贤指 导 教 师 程 耀 瑜学 科 专 业 通 信 与 信 息 系 统年 月 日科学级CCD相机研究及电气电路设计朱庆贤中北大学图 书 分 类 号 _密 级 非 密UDC 注 1_硕 士 学 位 论 文科 学 级 CCD 相 机 研 究 及 电 气 电 路 设 计朱 庆 贤（ 作 者 姓 名 ）指 导 教 师 （ 姓 名 、 职 称 ） 程 耀 瑜 教 授申 请 学 位 级 别 _ 硕 士 专 业 名 称 _ 通 信 与 信 息 系 统论 文 提 交 日 期 _年 _月 _日论 文 答 辩 日 期 2010 年 5 月 28 日学 位 授 予 日 期 _年 _月 _日论 文 评 阅 人 _答 辩 委 员 会 主 席 _年 月 日注 1： 注 明 国 际 十 进 分 类 法 UDC 的 分 类原 创 性 声 明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 学 位 论 文 ， 是 本 人 在 指 导 教 师 的 指 导 下 ， 独立 进 行 研 究 所 取 得 的 成 果 。 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外 ， 本 论 文 不 包 含其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 科 研 成 果 。 对 本 文 的 研 究 作 出 重 要 贡献 的 个 人 和 集 体 ， 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。 本 声 明 的 法 律 责 任 由 本 人承 担 。论 文 作 者 签 名 ： 日 期 ：关 于 学 位 论 文 使 用 权 的 说 明本 人 完 全 了 解 中 北 大 学 有 关 保 管 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 其 中 包 括 ： 学 校 有 权 保 管 、 并 向 有 关 部 门 送 交 学 位 论 文 的 原 件 与 复 印 件 ； 学 校 可以 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 它 复 制 手 段 复 制 并 保 存 学 位 论 文 ； 学 校 可 允 许 学位 论 文 被 查 阅 或 借 阅 ； 学 校 可 以 学 术 交 流 为 目 的 ， 复 制 赠 送 和 交 换 学 位论 文 ； 学 校 可 以 公 布 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 （ 保 密 学 位 论 文 在 解 密后 遵 守 此 规 定 ） 。签 名 ： 日 期 ：导 师 签 名 ： 日 期 ：中 北 大 学 学 位 论 文科 学 级 CCD 相 机 研 究 及 电 气 电 路 设 计摘 要本 文 的 目 的 是 研 制 一 种 基 于 CCD芯 片 的 低 成 本 科 学 级 CCD相 机 ， 本 文 主 要 研 究 和 设计 CCD驱 动 、 制 冷 、 数 据 采 集 等 相 机 的 前 端 部 分 。分 析 了 CCD 成 像 的 基 本 原 理 ,同 时 对 可 能 的 噪 声 进 行 了 分 析 ， 并 对 噪 声 的 抑 制 提 供了 设 计 方 法 ,对 CCD和 CMOS两 种 传 感 器 进 行 了 比 较 。对 于 使 用 的 柯 达 公 司 的 CCD芯 片 KAF-1603E进 行 了 详 细 的 介 绍 。 作 为 一 款 全 帧 面 阵CCD芯 片 ， 它 具 有 高 分 辨 率 ， 高 性 能 的 特 点 ， 尽 管 帧 频 小 ， 但 设 计 的 这 款 CCD相 机 对 速度 要 求 不 是 很 高 。 分 析 了 柯 达 公 司 的 KAF-1603E器 件 的 驱 动 时 序 ， 设 计 了 CCD驱 动 时 序电 路 ， 选 用 现 场 可 编 程 门 阵 列 (FPGA)作 为 硬 件 设 计 平 台 ， 使 用 VHDL 语 言 对 驱 动 程 序 发生 器 进 行 了 硬 件 描 述 。 采 用 Quartus 7.2 软 件 对 设 计 进 行 了 功 能 仿 真 和 时 序 仿 真 ， 并下 载 到 Altera公 司 的 芯 片 EP2C5Q208C8 中 进 行 了 适 配 。 仿 真 和 测 量 的 结 果 表 明 该 驱 动程 序 是 完 全 可 行 的 。CCD 输 出 的 模 拟 信 号 ， 必 须 经 过 一 系 列 的 过 程 ， 才 能 传 给 计 算 机 中 ， 选 用 一 款 CCD信 号 专 用 处 理 芯 片 AD9824， 这 样 减 少 了 系 统 设 计 的 难 度 ， 有 助 于 系 统 在 短 时 间 内 完 成 。最 后 ， 信 号 的 传 输 ， 通 过 分 析 几 种 常 用 的 传 输 方 式 ， 选 用 USB2.0作 为 系 统 的 传 输 方 式 。实 验 结 果 表 明 ， 该 设 计 能 够 满 足 一 些 方 面 的 需 要 ， 对 以 后 国 产 科 学 级 CCD相 机 的 发展 也 是 一 个 有 益 的 尝 试 。 文 章 也 说 明 了 不 足 之 处 和 需 进 一 步 完 善 的 工 作 。关 键 词： 科 学 级 CCD， 现 场 可 编 程 门 阵 列 ， 硬 件 描 述 语 言 ， 驱 动 电 路中 北 大 学 学 位 论 文ResearchofScientificCCDcameraandDesignofElectricalCircuitsAbstractInthispaper, theheadpartofthe lowcostscientificgradeCCDcamerawithCCDchipswasdeveloped,mainlyincludingCCDdriven,cooling,dataacquisitionandsoon.Atfirst,thebasicprinciplesof CCD typephotoelectricsensorprinciple,and thepossiblenoises were analyzed. Then the design method to control noises was provided and the twosensorsCCDandCMOSwerecompared.The Kodak CCD chip KAF-1603E, which was high resolution and high performance,was introduced in detail. As the full frame CCD cameral to be designed did not need highspeed, so it did not matter if the frame frequency was low. Combined with the workingprinciples of frame transferring CCD, the driving sequencer of KAF-1603E (CCD producedby Kodak) was analyzed and corresponding driving circuit was then designed. FPGA (FieldProgrammable GateArray)has been chosen as the hardware platform, and driving sequencerwas realized with VHDL. The functional and timing simulation of the driving sequencer hadbeen successfully fulfilled with Quartus 7.2(Altera design software for FPGA),andEP2C5Q208C8(akindof FPGAinClone seriesproducedbyAlteraCo.Ltd)wasusedtofit.Simulationandmeasurementresultsshowthatthedriverwascompletelyfeasible.The simulation signals output from CCD need a series of process before they weretransmittedtothecomputer,theCCD-specificprocessingchipAD9824wasfinallychosentobe used to reduce the difficulties in system design, so that the work could be finished by thesystem in short time. After analyzing several commonly used transmission methods, theUSB2.0waschosentobethesystemtransmitter.The test result showed that, thedesigned system could satisfy some needs in researches,anditwasauseful trialforthedevelopmentofdomesticscientificgradeCCDcameras. Someshortagesofstudyandworksneedforperfectingwasindicated.Key words:ScientificgradeCCD,FPGA,VHDL,Drivecircuit中 北 大 学 学 位 论 文I目 录第 一 章 绪 论1.1 课 题 背 景 11.2 CCD 图 像 传 感 器 的 介 绍 以 及 科 学 级 CCD 的 发 展 与 应 用 11.3 本 文 所 做 的 工 作 和 结 构 安 排 2第 二 章 CCD 图 像 传 感 器 成 像 原 理 及 特 性 分 析2.1 CCD 图 像 传 感 器 成 像 原 理 42.1.1 电 荷 的 产 生 42.1.2 电 荷 的 存 储 52.1.3 电 荷 的 转 移 62.1.4 电 荷 的 输 出 72.2 CCD 图 像 传 感 器 的 特 性 参 数 82.2.1 电 荷 转 移 效 率 和 电 荷 转 移 损 失 率 82.2.2 光 电 转 换 特 性 92.2.3 动 态 范 围 92.3 CCD 图 像 传 感 器 信 号 噪 声 以 及 处 理 方 法 102.3.1 暗 电 流 散 粒 噪 声 112.3.2 FD 复 位 噪 声 112.3.3 FD 放 大 器 噪 声 112.3.4 光 散 粒 噪 声 122.4 CCD 图 像 传 感 器 的 分 类 122.4.1 线 阵 CCD 摄 像 器 件 的 两 种 基 本 形 式 132.4.2 面 阵 CCD 142.5 CCD 与 CMOS 的 比 较 17第 三 章 KAF-1603E 型 CCD 图 像 传 感 器 研 究3.1 结 构 分 析 19