基于FPGA的CCD視頻波形發(fā)生器*

張 毅，張鴻飛，陳 誠，唐琪杰，王 堅

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，安徽 合肥 230026；2. 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)級CCD探測器由于在可見光波長下高達90%的量子效率、超低讀出噪聲、高分辨率、寬光譜響應(yīng)范圍等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于天文[1]觀測領(lǐng)域。在天文觀測中，觀測臺址的選擇十分重要，在空間衛(wèi)星上觀測無疑是最佳的，開普勒(Kepler)空間衛(wèi)星曾對天鵝座附近約100 deg2的天區(qū)進行了長達4年的觀測，探測到了大量的系外行星、變星及恒星耀發(fā)事件[2]。然而空間衛(wèi)星的建造極其昂貴，天文學(xué)家們繼而把目光投向了南極這個具有低風(fēng)、低濕度、大氣平靜的地點，同時南極沒有大氣污染、光污染，還具備長達數(shù)月的極夜[3]，這些有利的觀測條件驅(qū)使我國天文學(xué)家對南極的探索。2006年底，我國科學(xué)家提出在南極冰穹A建造首臺天文儀器的計劃，即中國南極小望遠鏡陣(Chinese Small Telescope Array, CSTAR)，兩年后中國南極小望遠鏡陣成功安裝在南極內(nèi)陸最高點DOMEA，中國南極小望遠鏡陣是由4個10 cm的望遠鏡組成，望遠鏡固定地指向南天極，主要科學(xué)目標是進行變星監(jiān)測，獲得多波段、長時間的連續(xù)光變曲線，用于暫現(xiàn)天象如新星及超新星等觀測，搜索系外行星等。同時，中國南極小望遠鏡陣的另一重要功能是天文臺址測量，進行天光背景、云量和透明度的測量以及連續(xù)晴夜的統(tǒng)計[4]。雖然南極擁有諸多觀測優(yōu)勢，但是其惡劣的條件也對望遠鏡系統(tǒng)的電子學(xué)及結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了極大的考驗。根據(jù)中國南極小望遠鏡陣的觀測要求以及低溫可靠性的考慮，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)基于E2V公司的CCD47-20芯片設(shè)計了一款科學(xué)級CCD相機[5]。圖1為CCD相機安裝在中國南極小望遠鏡陣的測試現(xiàn)場圖片。

CCD相機主要由真空腔體、快門、電源系統(tǒng)以及控制器組成?？刂破魈峁〤CD工作所需的時鐘信號和偏壓信號，并將CCD輸出的視頻信號進行放大采樣等處理，同時還具備一定的自檢功能。視頻采樣電路是控制器的關(guān)鍵部分，它直接決定了整個系統(tǒng)能否成像以及圖像噪聲的大小，因此需借助外部設(shè)備產(chǎn)生CCD視頻波形輸入到控制器進行系統(tǒng)測試。通常的做法是基于直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer, DDS)技術(shù)產(chǎn)生任意波形，并利用可編程邏輯器件對整個系統(tǒng)加以控制，從而輸出滿足需求的視頻波形。如美國布魯克海文國家實驗室針對大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope, LSST)上的CCD相機設(shè)計的CCD仿真器[6]，使用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過高帶寬運放驅(qū)動后可輸出1.23 MHz的CCD視頻波形。該技術(shù)在國內(nèi)也有多處應(yīng)用，如基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)設(shè)計的用于航天相機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的TDI-CCD信號發(fā)生器[7]，以及基于復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)設(shè)計的用于CCD相機的信號發(fā)生器[8]等。

本文針對中國南極小望遠鏡陣相機控制器視頻采樣電路的測試設(shè)計了一款CCD視頻波形發(fā)生器。整個系統(tǒng)由Altera公司的Cyclone IV FPGA主控，可以模擬CCD輸出的視頻波形并疊加不同大小的隨機噪聲，通過上位機的簡單設(shè)定可以快速對視頻采樣電路進行測試，不僅提高了測試效率，而且極大程度上降低了CCD探測器損壞的風(fēng)險。

圖1 CCD相機安裝在中國南極小望遠鏡陣的測試圖片

Fig.1 The test picture of CCD camera installed in CSTAR telescope

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個CCD控制器以及視頻波形發(fā)生器的系統(tǒng)框圖如圖2。上位機通過兩個控制軟件分別控制CCD控制器和CCD視頻波形發(fā)生器，命令通過兩個USB接口分別下發(fā)。控制器控制軟件可以根據(jù)視頻波形發(fā)生器產(chǎn)生的CCD波形生成圖像，通過感興趣區(qū)(ROI)的選取可以自動計算出當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的像素均值以及均方差，以便分析視頻采樣電路的功能及性能。

圖2 系統(tǒng)整體框圖
Fig.2 System overall block diagram

CCD視頻波形發(fā)生器由現(xiàn)場可編程門陣列、USB2.0、視頻波形產(chǎn)生電路、真隨機數(shù)生成器(True Random Number Generator, TRNG)以及電源組成。整個系統(tǒng)由現(xiàn)場可編程門陣列主控，USB2.0用于下發(fā)指令參數(shù)、傳輸圖像數(shù)據(jù)。視頻波形產(chǎn)生電路可以根據(jù)上位機控制軟件設(shè)定產(chǎn)生相應(yīng)的CCD視頻波形，也可以將一幀特定圖像的像素值存入閃存(Flash)，通過現(xiàn)場可編程門陣列邏輯算法將像素值逐個轉(zhuǎn)換后由視頻波形發(fā)生器還原相應(yīng)的CCD視頻波形。真隨機數(shù)發(fā)生器基于現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部震蕩環(huán)的抖動設(shè)計，通過現(xiàn)場可編程門陣列輸出的使能信號控制整個隨機源，產(chǎn)生的隨機噪聲用于模擬CCD芯片的讀出噪聲，隨機噪聲的大小可以通過視頻波形發(fā)生器控制軟件設(shè)定隨機數(shù)的位寬調(diào)節(jié)。控制器的觸發(fā)時鐘通過插件連接至CCD視頻波形發(fā)生器，產(chǎn)生的視頻波形通過同軸電纜線輸入視頻采樣電路輸入端。

1.1 視頻波形產(chǎn)生電路

通?？茖W(xué)級CCD輸出的視頻波形為3段臺階式波形，如圖3中Output信號，其中第1段臺階為復(fù)位電平，由R時鐘上升沿觸發(fā)；第2段臺階為參考電平，由R時鐘下降沿觸發(fā)；第3段臺階為像素電平，由R3時鐘下降沿觸發(fā)。當(dāng)光子入射時，在CCD探測器內(nèi)部MOS電容器的半導(dǎo)體材料中激發(fā)出電子，形成電勢差，該電勢差對應(yīng)CCD視頻波形參考電平與像素電平的差值，視頻采樣電路通過相關(guān)雙采樣[9]處理后得到有效像素值。 為了使產(chǎn)生的視頻波形的相位與實際CCD輸出的視頻波形一致，需要CCD控制器產(chǎn)生的R時鐘和R3時鐘觸發(fā)視頻波形的不同階段，以便視頻采樣電路能夠準確得到每個周期的有效像素值?？刂破鬏敵龅揭曨l波形發(fā)生器的R時鐘和R3時鐘，經(jīng)過分壓后進入比較器轉(zhuǎn)換成LVTTL信號，通過分壓電阻調(diào)節(jié)合適的比較器參考電壓。受限于控制器的視頻采樣電路，目前讀出速度最高支持到800 kPixel/s，本設(shè)計采用100 MHz的現(xiàn)場可編程門陣列時鐘不斷采樣比較器的輸出信號，從而判斷觸發(fā)時鐘的電平變化。

圖3 CCD47-20視頻輸出信號
Fig.3 Video output signal of CCD47-20

視頻波形產(chǎn)生電路如圖4。由500MSPS高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(max5888)、低通濾波模塊和高速低噪聲運放構(gòu)成。由于輸出的視頻波形由R時鐘和R3時鐘觸發(fā)，因此其頻率與控制器設(shè)定的讀出速度一致，最高為800 kHz，所選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器足以滿足設(shè)計需求。現(xiàn)場可編程門陣列通過16位LVDS數(shù)據(jù)和LVDS時鐘控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出差分電壓信號Vp，Vn經(jīng)過低通濾波模塊后濾除高頻噪聲，高速低噪聲運放將差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號輸出。運放輸出電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)碼之間的關(guān)系：

(1)

其中，Vout為運放輸出的電壓；Datacode為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)碼。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率為16位，因此該視頻波形產(chǎn)生電路輸出的信號范圍為-1～1 V。根據(jù)CCD47-20手冊，輸出響應(yīng)率為4.5 μV/e-，滿阱電子數(shù)約為10萬個，因此，在過曝光情況下，CCD視頻波形參考電平與像素電平之間的最大壓差約為450 mV，所以該視頻波形產(chǎn)生電路可以滿足測試需求。

1.2 真隨機數(shù)發(fā)生器

真隨機數(shù)發(fā)生器基于現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部震蕩環(huán)的抖動作為隨機源設(shè)計，將產(chǎn)生的隨機數(shù)同步疊加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出碼上可以模擬CCD芯片的讀出噪聲，其框圖如圖5。本設(shè)計在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部使用25個反相器首尾相連，構(gòu)成一個閉合回路作為一個震蕩環(huán)，隨機源由24路震蕩環(huán)組成，通過使能信號控制產(chǎn)生高頻震蕩時鐘，該時鐘周期僅與反相器門延時有關(guān)，相比于用PLL或DLL等采取反抖動措施產(chǎn)生的時鐘，具有更大的抖動[10]。隨機源輸出的高頻時鐘經(jīng)過D觸發(fā)器進行第1次采樣，采樣時鐘為100 MHz。24位采樣結(jié)果經(jīng)過異或處理后，通過D觸發(fā)器進行二次采樣輸出一位隨機數(shù)，采樣時鐘為100 MHz。在不需要隨機噪聲的情況下可以通過控制軟件關(guān)閉隨機源，從而減少系統(tǒng)功耗。

圖6為測試中使用SignalTap采樣4 bit隨機數(shù)的一段結(jié)果。

圖4 視頻波形產(chǎn)生電路
Fig.4 Video waveform generation circuit

圖5 真隨機數(shù)發(fā)生器
Fig.5 True random number generator

圖6 SignalTap采樣4位隨機數(shù)的結(jié)果
Fig.6 Result of 4 bits random number sampled by SignalTap

2 現(xiàn)場可編程門陣列邏輯實現(xiàn)

視頻波形發(fā)生器的現(xiàn)場可編程門陣列邏輯框圖如圖7，包括USB通信模塊、命令解析模塊、隨機數(shù)產(chǎn)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊、閃存控制模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊，各個模塊由現(xiàn)場可編程門陣列控制協(xié)同工作。

圖7 現(xiàn)場可編程門陣列邏輯框圖
Fig.7 FPGA logic block diagram

USB通信模塊負責(zé)接收上位機下發(fā)的數(shù)據(jù)，下發(fā)數(shù)據(jù)類型分為指令數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。基本指令包括設(shè)定視頻波形各個階段電壓值、設(shè)定視頻波形上升沿/下降沿時間、設(shè)定真隨機數(shù)發(fā)生器使能或失能以及設(shè)定隨機數(shù)位寬，通過上位機設(shè)定參數(shù)后，視頻波形發(fā)生器伴隨觸發(fā)時鐘產(chǎn)生重復(fù)的周期性信號。圖像數(shù)據(jù)為一幀特定圖像的像素值，通過USB存入閃存中。當(dāng)命令解析模塊產(chǎn)生開始讀出標志位后，閃存控制模塊依次讀出每個像素值并輸出到圖像數(shù)據(jù)處理模塊。圖像數(shù)據(jù)處理模塊有兩個功能：(1)在R時鐘上升沿和下降沿觸發(fā)下向數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊，輸出復(fù)位電平和參考電壓所對應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)碼，默認情況下邏輯將復(fù)位電平設(shè)成100 mV，參考電平設(shè)成50 mV；(2)根據(jù)閃存控制模塊輸出的像素值以及視頻采樣電路增益計算出CCD視頻波形中參考電平與像素電平之間的壓差，并將此壓差轉(zhuǎn)換成數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出碼，在R3時鐘下降沿觸發(fā)下輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊。在還原一幀特定圖像模式中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊以100 MHz的主頻持續(xù)輸出數(shù)據(jù)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，當(dāng)有圖像數(shù)據(jù)處理模塊觸發(fā)時，輸出當(dāng)前數(shù)據(jù)，若無觸發(fā)時，則輸出上一時刻的數(shù)據(jù)直到下一次觸發(fā)到來。

命令解析模塊將指令解析后向后續(xù)相關(guān)模塊傳遞參數(shù)及標志位。若產(chǎn)生隨機數(shù)使能信號，隨機數(shù)產(chǎn)生模塊以100 MHz的主頻輸出相應(yīng)位寬的真隨機數(shù)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊。在上位機設(shè)定CCD波形的模式中，命令解析模塊將CCD各階段幅度值所對應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)碼以及上升沿/下降沿時間輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊。數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊有兩個功能：(1)在數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)碼上疊加真隨機數(shù)，并將數(shù)據(jù)以100 MHz的主頻傳遞給數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊；(2)在R和R3時鐘觸發(fā)到來時，根據(jù)上升沿/下降沿時間計算波形跳變階段每個點所對應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)碼，例如當(dāng)上升沿設(shè)定為100 ns，復(fù)位電平和像素電平分別設(shè)定為100 mV和0 mV時，采樣點將從0 mV每次增加10 mV在10個周期內(nèi)達到復(fù)位電平幅度。在上位機設(shè)定波形模式下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊觸發(fā)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，產(chǎn)生用戶設(shè)定的CCD視頻波形。其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)整合模塊以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模塊的工作主頻均為100 MHz，對于100 kHz的視頻波形，一個周期內(nèi)可還原1 000個采樣點，足以滿足測試需求。

3 測試結(jié)果

在測試過程中系統(tǒng)工作的流程如圖8。首先通過視頻波形發(fā)生器控制軟件設(shè)定波形幅度、上升沿/下降沿時間以及所疊加的噪聲位寬。再通過控制器控制軟件設(shè)定讀出參數(shù)，包括讀出速度、積分時間、前放增益高低選擇。所有參數(shù)設(shè)置完畢后通過控制器控制軟件下發(fā)開始曝光指令，視頻波形發(fā)生器根據(jù)R時鐘和R3時鐘的變化輸出實際的CCD視頻波形，該波形進入視頻采樣電路采樣后得到像素值，通過USB2.0接口傳至上位機，在控制器控制軟件上生成一幀圖像，供用戶分析。圖9是將特定像素值固化到閃存后，通過現(xiàn)場可編程門陣列控制產(chǎn)生的CCD視頻波形以及還原得到的圖像。整幅圖像亮度從左到右依次減小，呈規(guī)律的條紋狀，與預(yù)期一致。

圖8 測試流程圖
Fig.8 The picture of test flow

圖9 CCD視頻波形及還原圖像
Fig.9 CCD video waveform and restored image

在視頻采樣電路的性能測試中，通過視頻波形發(fā)生器控制軟件設(shè)定產(chǎn)生一個均勻平場的CCD視頻波形，其復(fù)位電平、參考電平以及像素電平分別固定為100 mV，50 mV，0 mV，上升沿/下降沿時間為100 ns，并通過控制器控制軟件設(shè)定讀出速率為100 kPixel/s。

在室溫下將CCD視頻波形分別疊加1到8位隨機數(shù)噪聲后，輸入到CCD控制器的視頻采樣電路，通過實際疊加的噪聲與視頻采樣電路測量的像素值均方差之間的關(guān)系，評估視頻采樣電路的性能。根據(jù)多次測試結(jié)果，當(dāng)不疊加隨機噪聲時，視頻采樣電路測量100 000個采樣點像素值的均方差大約為7.3ADUrms。參考電平和像素電平之間的差值：

F(ΔV)=[F(ref)-F(pix)]+[F(nref)-F(npix)]，

(2)

其中，F(xiàn)(ΔV)為疊加隨機噪聲后參考電平和像素電平之間的差值；F(ref)和F(pix)分別為在不疊加隨機噪聲時參考電平值與像素電平值；F(nref)和F(npix)分別為在參考電平和像素電平上疊加的噪聲值，F(xiàn)(ΔV)的均方差：

(3)

其中，σF(ΔV)為F(ΔV)的均方差；σ2[F(ref)-F(pix)]為參考電平與像素電平壓差值的方差，即為7.3ADUrms2；σ2F(nref)和σ2F(npix)分別為在參考電平和像素電平疊加隨機噪聲的方差。隨機數(shù)可近似為在[0,2n-1]區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，其方差計算為

(4)

其中，n為隨機數(shù)的位數(shù)；σ2R[0,2n-1]為n位隨機數(shù)噪聲的方差。因此，當(dāng)不同的隨機數(shù)噪聲疊加到數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出碼時，理論測量的像素值均方差與隨機數(shù)位數(shù)的關(guān)系：

(5)

圖10將視頻采樣電路實際測量像素值均方差的結(jié)果與理論值進行了對比，在疊加1到8位隨機噪聲后，通過(5)式計算得到的理論像素值的均方差如圖10中虛線STD2。視頻采樣電路實際測量100 000個采樣點像素值的均方差如圖10實線STD1。根據(jù)測試結(jié)果，兩條曲線基本重合，這說明控制器視頻采樣電路的性能滿足要求。

此外，利用該視頻波形發(fā)生器對控制器視頻采樣電路進行了長期的低溫測試，測試結(jié)果表明，控制器在低至-80 ℃的溫度下可以正常成像，說明視頻采樣電路滿足南極的低溫需求。

圖10 像素值均方差與隨機數(shù)位數(shù)的關(guān)系

Fig.10 Relationship between pixel value Standard deviation and random number bit

4 總 結(jié)

本文設(shè)計了一款基于現(xiàn)場可編程門陣列的CCD視頻波形發(fā)生器模擬CCD輸出的視頻波形，可以在不安裝CCD芯片的情況下，通過上位機的簡單設(shè)定快速有效地對CCD控制器進行測試，避免了安裝CCD測試造成的風(fēng)險。針對中國南極小望遠鏡陣相機控制器的視頻采樣電路做了詳細測試，結(jié)果表明，視頻采樣電路的性能滿足要求，也間接證明了控制器的時鐘電路在低至-80 ℃的溫度下可以正常工作。該視頻波形發(fā)生器還可以應(yīng)用于其它科學(xué)級CCD視頻波形的仿真，對后續(xù)其它控制器的研發(fā)及測試提供了諸多便捷。