衛(wèi) 娜 李向東

數(shù)據(jù)采集功能模塊是非制冷型紅外熱成像系統(tǒng)中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)熱圖像正確顯示的基礎(chǔ)。非制冷型焦平面陣列在積分信號、行同步信號和像素時鐘等邏輯輸入信號的協(xié)同控制下，以模擬視頻信號的形式逐幀、逐行輸出熱圖像；焦平面陣列輸出的模擬視頻信號需要進(jìn)行正確的數(shù)字化采樣，以便于對原始熱圖像進(jìn)行校正、增強(qiáng)等后續(xù)處理。非制冷型焦平面陣列邏輯輸入信號產(chǎn)生模塊與模擬視頻信號的AD轉(zhuǎn)換模塊共同組成了非制冷型紅外熱成像系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集功能模塊。數(shù)據(jù)采集功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案可以采用多種不同的形式，本文介紹了一種基于FPGA與AD9240的實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)對AD9240相關(guān)電路的設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)討論。

1 非制冷型焦平面陣列邏輯輸入控制信號時序要求

焦平面陣列的邏輯輸入控制信號作用于焦平面陣列的讀出電路，用來控制傳感器對熱輻射圖像的正確采樣并按一定格式與速率進(jìn)行輸出。

圖1為法國ULIS公司的非制冷型焦平面陣列UL03041在進(jìn)行384×288格式輸出時的時序圖。其中時序關(guān)系要求如下：T1＞64μs，T2≥0，T3≥1.5μs，T4≥1.5μs，T5=4.7μs±30%，T6≥1.5μs。

2 FPGA設(shè)計

如圖2所示，F(xiàn)PGA除產(chǎn)生焦平面陣列所需的邏輯輸入控制信號外，還會輸出AD9240所需的轉(zhuǎn)換時鐘，并且接收AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。產(chǎn)生焦平面陣列所需的邏輯輸入控制信號對于FPGA設(shè)計來說是比較簡單的，以一個簡單的狀態(tài)機(jī)為核心，外加幾個計數(shù)定時器即可實(shí)現(xiàn)。在這里之所以采用FPGA主要是因?yàn)樵谡麄€系統(tǒng)設(shè)計中還要用FPGA實(shí)現(xiàn)其它功能。

圖1 UL03041邏輯輸入控制信號時序圖

圖2 數(shù)據(jù)采集功能模塊框圖

3 AD9240設(shè)計

3.1 AD9240簡介

AD9240是AD公司生產(chǎn)的高速14位并行AD轉(zhuǎn)換器，具有高的采樣速率和轉(zhuǎn)換速率，適用于視頻采集和圖像處理以及數(shù)字儀器儀表的信號采集。AD9240內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，工作性能也好，因而可以大大減少印制板面積，降低系統(tǒng)成本。

AD9240的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下：

（1）有可在內(nèi)部采樣保持的14位分級型AD轉(zhuǎn)換器、并行輸出接口和數(shù)據(jù)緩沖器；

（2）轉(zhuǎn)換速率為10 MHz；

（3）信噪比SNR為77.5 dB；

（4）功耗僅為285 mW；

（5）雜散動態(tài)范圍為90 dB；

（6）積分線性誤差為2.5 LSB；

（7）帶有輸出越限指示；

（8）采用單電源5V供電；

（9）可與3.3 V或5 V等CMOS電路接口；

（10）電壓輸入方式、范圍靈活可調(diào)。

圖3 AD9240框圖

3.2 速度/功耗編程

通過芯片BIAS引腳可以對AD9240的最大轉(zhuǎn)換速度及相應(yīng)的功耗進(jìn)行編程。如圖4所示，通過改變電阻RBIAS的阻值來確定速度/功耗工作點(diǎn)，RBIAS阻值的選取根據(jù)具體的使用要求，依據(jù)圖5、圖6來確定。

圖4

圖5

圖6

圖7

3.3 信號輸入方式

圖7為AD9240的等效輸入電路圖，輸入的模擬信號VINA、VINB應(yīng)滿足如下關(guān)系：

AD9240提供了十分靈活的信號輸入方式，主要分4大類：單端直流輸入、單端交流輸入、雙端直流輸入與雙端交流輸入。對于焦平面陣列輸出的模擬信號通常通過運(yùn)放以單端直流耦合的方式進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。為了提高輸入信號的信噪比SNR，在AD9240的兩個輸入端VINA、VINB一般要串接30～50歐的匹配電阻。

3.4 參考電壓設(shè)定

AD9240的參考電壓VREF有兩種設(shè)定方式：使用芯片內(nèi)部參考電壓源或外接參考電壓。

如圖8所示，AD9240的參考電壓VREF由引腳SENSE連接方式?jīng)Q定。當(dāng)引腳SENSE與引腳REFCOM直接短接時，轉(zhuǎn)換開關(guān)將內(nèi)部參考源輸出連接到內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)，從而在VREF引腳處產(chǎn)生2.5V參考電壓；當(dāng)引腳SENSE與引腳VREF直接短接或通過外部電阻網(wǎng)絡(luò)相連接時，在VREF引腳處將產(chǎn)生1V或1～5 V的參考電壓；若引腳SENSE連接到AVDD時，可以從VREF引腳輸入外部參考電壓，這時內(nèi)部參考源將不再起作用。

當(dāng)應(yīng)用于焦平面陣列時，一般采用內(nèi)部參考，通過外接電阻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)具體需要將參考電壓設(shè)定在1～5 V之間，如圖9所示。

在進(jìn)行參考電壓設(shè)定時，無論是采用內(nèi)部參考電壓還是采用外接參考電壓，為了確保芯片正確工作，都需要在引腳CAPT與引腳CAPB之間外接電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行退耦，圖10給出了典型的電容網(wǎng)絡(luò)連接形式與參數(shù)。

圖9

圖10

3.5 接地與退耦

進(jìn)行正確接地是高速、高分辨率系統(tǒng)的基本要求，建議采用多層印制板設(shè)計單獨(dú)的電源層、地層。在布線時，輸出的數(shù)字信號絕對不能與輸入信號平行，一定要與輸入信號分開；地線引腳AVSS、DVSS和DRVSS必須在芯片下面直接連接起來。

實(shí)際電路中，AD9240需要對各種電源以及CML引腳進(jìn)行退耦，具體設(shè)置如圖11所示。

圖11

[1]Complete 14-Bit, 10 MSPS Monolithic A/ D Converter AD9240 Data Sheet Analog Devices, Inc., 1998.

[2]Uncooled microbolometer detector recent developments at ULIS J.L. TISSOT*, C. T R O U I L L E A U, B. F I E Q U E, A. CRASTES, and O. LEGRAS ULIS, BP 27-38113 Veurey-Voroize, France.

[3]常本康，蔡毅.紅外成像陣列與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.