专利名称：一种低分辨率adc实现高分辨率模数转换的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属电学领域，涉及一种模数转换系统，尤其涉及一种针对CCD相机利用低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统。
背景技术：
CXD相机现已广泛应用于天文探测，其光谱范围覆盖300nm-1100nm之间。为了充分利用CCD探测器的动态范围，在设计CCD信号处理电路选择ADC时，应尽量满足ADC的动态范围大于CXD的动态范围。目前的C⑶尤其科学级C⑶的动态范围高达IO5 1，甚至 IO6 1，此时若要满足DRADe彡DRem,则必须选择分辨率为18-20bit的ADC。而高等级、高性能的高分辨率ADC较少且价格昂贵，所以在信号处理电路中，通常出现以下两种情况1)牺牲了 CCD高端动态范围，保证了相机的灵敏度，即相机系统通道增益小(系统通道增益G定义为相机系统每读出一个ADC量化单位所对应的电子数)；2)牺牲了相机的灵敏度，保证了 CXD的高端动态范围。CCD相机系统区别于其他信号处理系统最根本的不同点是它的噪声谱密度跟信号大小有密切关系。CCD相机系统噪声主要由光子噪声、复位噪声、暗信号噪声和读出噪声组成。其中，暗信号噪声可以通过对CCD器件进行制冷，使暗信号噪声减小。而光子噪声和信号大小息息相关。当CCD探测大信号时，光子噪声为CCD相机系统的主要噪声；当CCD探测小信号时，读出噪声为CCD相机系统的主要噪声。根据CCD相机系统噪声特性，用低分辨率模数转换器ADC实现高分辨率的模数转换，主要是通过粗细量化的思想来实现。当采用η bit高分辨ADC进行模数转换时，系统通道增益为G = ^(e-/LSB)其中Sfw为满阱电荷容量。当采用(n-m)bit的低分辨率ADC进行模数转换，并采用粗细量化的思想，系统通道增益G为大信号探测时，系统通道增益G大G大ILSB)其中Sfw为满阱电荷容量。小信号探测时，将其放大2m倍后，系统通道增益=LSB)其中^为满阱电荷容量。当大信号探测时，直接采用低分辨率ADC进行转换，会使系统通道增益增加，相机的探测灵敏度降低，但由于此时信号较强，光子噪声为主要噪声，因此不会影响相机对大信号的探测；当小信号探测时，将信号放大2m倍后，再用(n-m)bit的低分辨率ADC进行模数转换时的系统通道增益与采用nbit高分辨ADC进行模数转换的相同，相机的探测灵敏度并未由于ADC分辨率的降低而降低，从而保证了小信号探测时的精度。[0014]对于低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的传统方法是用一个(n-m)bit低分辨率ADC，一个放大电路和一个模拟开关实现高分辨率模数转换，参见图1所示。该方案首先将经模拟前端处理后的CCD视频信号，与设定的阈值进行模拟比较，判断是强光信号还是弱光信号；然后根据判断结果选择相应的放大电路进行放大，同时将所选的放大倍数送给数据处理单元；数据处理单元根据提供的放大倍数对ADC转换的(n-m)位数据进行相应的数据处理。该方案需要进行模拟比较，模拟比较会引起数据传输链路中的延时。而且电路中需增加增益数据线，将所选的放大倍数送给数据处理单元，以备数据处理单元正确地处理数据所用。
实用新型内容为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种延迟小、传输速率高、抗干扰能力强、信噪比高以及应用范围广的针对CCD相机低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统。本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特殊之处在于所述系统包括对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的预处理单元、对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大的放大单元、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换单元；所述预处理单元、放大单元以及转换单元依次电性连接。上述系统还包括用于对高位量化结果进行偏置修正的修正单元，所述修正单元和转换单元相连。上述预处理单元包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单兀。上述放大单元是两个具有不同放大倍数的运算放大器。上述转换单元包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、 细量化结果自动切换单元。本实用新型的优点是1、延迟小、传输速率高、抗干扰能力强。本实用新型所提供的针对一种低分辨率 ADC实现高分辨率模数转换的实现系统改变传统先比较再放大的方式，直接采用不同放大倍数的运放进行首先放大，然后进行数模转换，本实用新型利用粗细量化的思想来实现低分辨率ADC达到高分辨率的模数转换。正是因为由两个具有不同放大倍数的运放，一个双通道(n-m)bitADC和一个FPGA组成，直接对模拟信号同时进行粗、细量化。无需模拟比较处理，可以减少模拟比较处理所引起的延迟，有利于整个信号处理链数据传输速率的提高， 在FPGA中对信号大小进行数字比较，完成粗细量化结果自动切换，输出η bit ADC量化值。 同时，本实用新型采用FPGA进行数字比较，不但比较结果准确，而且不易受噪声的影响和干扰。2、信噪比高、应用范围广。本实用新型在完成对CCD相机低位ADC向高分辨率模数转换实现的同时还对ADC进行了图像偏置的修正，有效抑制了整个视频处理链路偏置的不稳定性而引起的CCD图像数据偏置波动，提高信噪比，从而扩大了 CCD相机的动态范围。 同时，由于本实用新型简单易行，可移植性强。可在原有的相机视频处理电路的基础上稍加改动即可扩大CCD相机的动态范围。
图1是传统的实现高分辨率模数转换流程示意图；图2是本实用新型所提供系统的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，该系统包括对焦平面组件FPA产生的CXD模拟信号进行后级预处理的预处理单元、对预处理后的 CCD模拟视频信号进行放大的放大单元、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换单元；预处理单元、放大单元以及转换单元依次电性连接。预处理单元包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单元。放大单元包括两个不同放大倍数的运算放大器。转换单元包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、细量化结果自动切换单元。数据处理单元同时起到对粗、细量化结果进行锁存，在每个像元周期内进行多次采集，分别计算该像元粗、细量化值的多次采集累加和对粗、细量化结果自动切换后的值进行数据拼接和归一化处理等功能。为了有效降低视频处理链路因工作温度、元器件老化等因素而引起的CXD图像数据偏置波动，本实用新型在上述系统提供的同时，还提供了用于对高位量化结果进行偏置修正的修正单元，修正单元和转换单元相连。修正单元可以是现有的常用的任何一种能起到偏置修正功能的单元或电路都是可行的。
权利要求1.一种针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，其特征在于所述系统包括对焦平面组件FPA产生的CXD模拟信号进行后级预处理的预处理单元、对预处理后的CXD 模拟视频信号进行放大的放大单元、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换单元；所述预处理单元、放大单元以及转换单元依次电性连接。
2.根据权利要求1所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，其特征在于所述系统还包括用于对高位量化结果进行偏置修正的修正单元，所述修正单元和转换单元相连。
3.根据权利要求1或2所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，其特征在于所述预处理单元包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单元。
4.根据权利要求3所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，其特征在于所述放大单元是是两个具有不同放大倍数的运算放大器。
5.根据权利要求4所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，其特征在于所述转换单元包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、细量化结果自动切换单元。
专利摘要本实用新型涉及一种针对CCD相机利用低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的系统，该系统包括对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的预处理单元、对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大的放大单元、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换单元；预处理单元、放大单元以及转换单元依次电性连接。本实用新型提供了一种延迟小、传输速率高、抗干扰能力强、信噪比高以及应用范围广的针对CCD相机低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统。
文档编号H03M1/18GK202135116SQ20112019040
公开日2012年2月1日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者姚大雷, 文延, 江宝钽, 汶德胜, 邱跃洪, 陈智, 高博 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所