采样,放大和数字化CCD输出信号

时间:2025-03-10

  解释了如何生成CCD输出信号,并确定了每个像素中包含的三个波形特征是重置小故障,重置级别和数据级别。

  当我认为这种笨拙的电压的重复变化可以以某种方式转变为二维图像时,我不禁会惊叹于人类的创造力,这与我们对现实的视觉感知相当,并且在某些方面可以优越。胶卷的能力同样出色,但是我们无法以分子水平的方式观察到示波器上的CCD波形的方式。
  相关的双重抽样
  当涉及CCD信号处理时,重要的主题是相关的双重采样(CDS)。该术语是指在两个不同矩中反复采样波形的过程,每对样品都用于产生单个数据点。
  相关双重采样的好处是降噪。您可以将其视为一种差分信号的形式:我们不从相同电压信号的互补版中减去一个电压信号,而是暂时将单个端的波形分开,然后从第二个瞬时电压中减去一个瞬时电压。

  在CCD波形的情况下,获取两个瞬时电压,以使一个捕获参考(又称重置)级别,而另一个捕获了数据级:

  降噪
  与差分信号传导一样,相关的双重采样是减少噪声的强大手段,因为当从另一个电压中减去一个电压时,任何影响参考级别和数据级别的噪声源都将被消除。
  CCD信号中的主要噪声源称为KTC噪声,这是与电容相关的热噪声。在给定像素的参考和数据部分期间,KTC噪声幅度是相同的,因此通过相关的双采样将其消除。
  通常,CD降低噪声源的功效取决于带宽,换句话说,这取决于噪声信号的变化速度。在一定时间段内将个样本与第二个样本分开,如果在此期间噪声信号的值发生明显变化,则不会通过减法去除噪声。
  CCD会产生高频噪声,而相关的双重采样无法消除,但是该技术降低了低频噪声的效果,例如闪烁(又称1/F)噪声,慢速电源供应变化和热漂移。
  实施相关的双重抽样

  “采样”一词可能会让您想到模数转换,就好像通过取两个ADC样品可以实现CD。但是,CCD系统在模拟领域中执行此双重采样。有各种电路实现;下面显示的一个很简单,有助于说明一般概念。

  该电路由两个样品和固定(s/h)块和一个差放大器组成。样品和固定操作在一个特定时刻捕获信号的电压水平,然后保持该值。

  基本的S/H解决方案只是一个电容器,该电容器将电容器与输入信号分开:

  样品控制脉冲开关在FET上开关,并使电容器充电至输入电压。只要另一个电容器端子连接到一个高阻抗节点,就不会发生明显的放电,因此电容器上的电压几乎恒定(几乎)恒定时间足够长,可以执行其他信号处理任务。
  通过合并专用的样本和含量IC可以实现更高的性能(或至少减少的设计工作)。一些示例是Texas Instruments的LFX98X系列,模拟设备的SMP04和Maxim的DS1843。
  在CDS电路中,在t参考中触发一个s/h块(即在像素波形的参考级部分中的某个瞬间,在某些瞬间),另一个是在t数据处触发的(即在数据级部分中的某些瞬间)。然后,差放大器从参考级别减去数据级,并产生准备进一步处理的单个输出电压。
  CCD信号处理器
  CCD模拟信号处理和A/D转换的其他各个方面,但我认为它们不值得详细讨论 - 简而言之,几乎没有我们每个人都需要从离散IC的集合中创建自定义的CCD接口。可以使用高度集成的解决方案,它们提供的便利性和性能无法击败。

  我们将以CCD信号链其他部分的简要描述结束本文,并在AD9845B(模拟设备的CCD信号处理器)的数据表中提供了一些帮助。

  直流偏移通过首先耦合信号然后施加直流恢复电压而移动。
  根据ADC的全尺度范围,该信号被放大。
  光学黑色斜坡子电路使用来自灯光像素的信息,通过消除由黑电流引起的偏移来改善动态范围。
  正确同步的类似物到数字转换会产生数值像素数据,并且根据CCD的动态范围选择了ADC分辨率。



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