一种通用型EMCCD驱动系统

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电子倍增CCD(EMCCD)是目前国内外微光成像领域研究与发展的重点,它不仅具有传统CCD的各种特点,同时具有灵敏度高、量子效率高和噪声低等优势,非常适合应用于军事侦察、天文观测、生物医学等微光成像领域。但是我国EMCCD生产工艺和芯片性能测试水平不够成熟,且常用的EMCCD成像系统只适用于单一型号芯片的成像与应用,具有一定局限性。本文针对多种主流EMCCD芯片设计了一套通用型EMCCD驱动系统,为不同型号芯片的驱动与性能测试提供平台。首先,本文阐述了 EMCCD的工作原理与工作噪声,并以NI控制主机为控制端提出了通用型EMCCD驱动系统的整体设计方案。其次,本文介绍了 EMCCD的结构特点,重点分析多种主流EMCCD的驱动要求,总结归纳出驱动信号在幅值、时序等方面的共性,以此为基础提出通用型EMCCD驱动系统电路设计思路和要求。在系统硬件电路方面,本文实现了系统电路的通用性,使得转移时钟驱动电路、倍增时钟驱动电路和直流偏置电压电路和器件背板能够满足不同芯片的驱动要求,其中倍增时钟的正弦波信号采用Cordic算法和集成运放实现。本文使用相关双采样电路与14位A/D量化采样板卡对EMCCD图像信号进行采集与实时显示。在电路优化方面,本文通过电路设计规则与信号完整性理论,对PCB板的参考平面、数模混合电路和信号传输等方面进行优化。在软件系统方面,本文设计了系统控制、时序驱动、图像信号采样与成像程序。另外,本文通过两款芯片的信号调试验证了系统驱动电路的可行性与通用性。最后,本文以CCD97芯片为例,对系统成像、噪声水平、倍增增益和积分时间进行实验与测试,测试结果表明系统能够实现预期的功能。
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