线阵CCD数据采集电路研究

论文摘要

随着北京正负电子对撞机（Beijing Electron Positron Collider,BEPC）升级改造的完成,位于BEPC直线加速器末端的试验束也将随之进行升级改造。为了进一步提高束流单粒子事例的选择效率、粒子定位精度以及单双粒子的鉴别能力,计划采用闪烁光纤阵列探测器代替束流上现有的多丝正比室。针对闪烁光纤阵列探测器研制的需要,本文对闪烁光纤阵列探测器读出电子学系统中的线阵CCD数据采集电路进行了设计和研究。文中对闪烁光纤阵列探测器的初步设计方案进行了介绍,明确了线阵CCD在整个系统中的作用及基本的设计要求。在分析了线阵CCD基本工作原理及其噪声特性的基础上,对先后选取的两种线阵CCD进行了研究,并给出了各自相应的数据采集系统的设计。对于东芝公司的TCD1001P,设计了两路的数据采集电路。使用FPGA作为控制核心,verilog语言进行硬件描述以产生CCD工作所需的驱动时序及各部分控制信号。针对其芯片的特点,采用差分放大加低通滤波的电路设计对其输出信号进行预处理,并通过USB2.0总线将A/D转换后的数据传输到计算机中。对于DALSA公司的高性能线阵CCD芯片IL-C6-2048C,并用其设计了八路CCD数据采集电路。采用电阻分压和高性能驱动器分别实现了IL-C6-2048C芯片偏置和驱动电路的设计。对输出信号的处理,采用前置放大加专用集成芯片的形式,提高了信号处理的精度和稳定性。通过对专用芯片各控制信号的精细控制及CCD驱动时序、信号布线、电源滤波等其它因素的精心设计,在上位机得到了稳定的且增益及偏置可在线调节的数字图像。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 BEPC试验束及相关探测器
• 1.2 闪烁光纤探测器
• 1.2.1 高能物理实验中的闪烁光纤阵列探测器
• 1.2.2 E3束上闪烁光纤阵列探测器的初步设计方案
• 1.3 课题选取的意义及主要研究内容
• 1.4 文章结构
• 第2章 CCD图像传感器特性分析
• 2.1 CCD的工作原理
• 2.1.1 电荷的注入及存储
• 2.1.2 电荷的转移
• 2.1.3 电荷的检测
• 2.2 线阵CCD的结构及特性参数
• 2.2.1 线阵CCD的两种基本结构
• 2.2.2 CCD主要特性参数
• 2.3 CCD噪声
• 2.3.1 随机噪声
• 2.3.2 固定图像噪声
• 2.4 本章小结
• 第3章 双路线阵CCD数据采集系统设计
• 3.1 CCD数据采集系统设计
• 3.1.1 系统硬件构成
• 3.1.2 系统软件构成
• 3.2 硬件电路实现
• 3.2.1 主要芯片介绍
• 3.2.2 电路实现
• 3.3 固件及软件程序设计
• 3.3.1 FPGA程序设计
• 3.3.2 USB控制器中固件程序设计
• 3.3.3 驱动程序和应用程序设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 八路高速线阵CCD数据采集电路设计
• 4.1 高速线阵CCD IL-C6-2048C
• 4.2 电路设计
• 4.2.1 IL-C6-2048C驱动
• 4.2.2 视频信号处理电路设计
• 4.2.3 电源管理
• 4.2.4 PCB设计
• 4.3 电路调试及测试
• 4.3.1 电路调试
• 4.3.2 测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录