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D控制系统设计及性能分析
 
 

李耀华1,魏名智2
 
(1中国科学院北京天文台,北京100101;2美国加州大学LICK天文台,加利福尼亚)
 
 
摘要:,并对该系统各项性能进行了测试和
分析。通过修改软件波形表,该系统可以产生任意特定的波形和电压,D芯
片,同时它还具有多路读出功能和子图像读出功能。D的增益、转移效率、满阱、线
性、暗电流、读出噪声、陷阱和量子效率的测试方法及测试结果。
关键词:电荷耦合器件;D控制器
 

1 引言
CCD由于其线性好、量子效率高、转移效率高、转移速度快,在天文观测中获得了广泛的应
用。BFOSC是一台多功能天文摄谱仪和摄像机,D芯片是由LICK天文台设计、Orbit公司生产
制造的2048×2048阵列,D每个像素上均连接着在垂直方向分布的3个电位,
它们分别由对应的垂直转移时钟驱动。垂直转移时钟的相位变化可同时驱动所有像素上的电荷在垂
直方向上转移。一个周期的垂直转移钟波形变化可向上或向下转移一行电荷。最上面或最下面的一
行电荷则被转移到水平寄存器阵列中去。每个寄存器上也有3个水平方向分布的电位,它们分别由
对应的水平转移钟驱动。水平转移钟的相位变化可使寄存器上的电荷往放大器方向移动。转移出水
平寄存器的电荷经过一些控制门电路后,经输出放大器放大输出。D控制器的基本任务是提
供垂直、水平转移钟、各控制门电路的控制波形和偏置电压,以及采集、D像素中转移
出来的电荷。D控制器是一个多通道波形发生器及信号采集器。D控制器还具有诸
如快门控制、D芯片无关的控制功能。
BFOSC系统是一个多功能的照相系统,它既可用于光谱观测也可用于多色滤光片的光度观测。
D像素为2048×2048,且有4个读出门,D控制器具有多门读出和子图像读出的功能,
以及较快的读出速度。

2 控制器系统设计
D系统由主控计算机、控制器及照相机三个部分组成。主控机和控制器之间通过光纤连
接,最大传输速率为40Mb/s。控制器和照相机之间通过41芯圆电缆及BNC电缆相连。41芯电缆用来
D各门电路控制信号以及偏置电压,D的
图像信号。主控计算机是具有SBUS总线接口的SUN工作站,上面装有光纤接口板。主控计算机上运
行高层用户软件接口,按照观测者的要求将控制命令传递到控制器上,并接收来自控制器的命令响
D控制器是一个多通道波形发生器及信号采集器,主要包括时序生成电路板和模
拟信号电路板,它还包括外部设备控制板以及电源监视电路等。时序电路板负责生成各种波形时序
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和数据采集控制信号,D图像数据并传送到主控计算机上。它还具有
同主控计算机及外部设备控制板通讯的能力。D芯片无关的设备,如温度
控制、快门控制等。模拟信号电路板用于时钟驱动和信号采集。电源控制板用于保证安全、可靠、
稳定的系统供电。D芯片及杜瓦电路盒。杜瓦瓶本身是低温保持系统,
给CCD提供-110℃左右的低温工作环境。杜瓦瓶石英窗是BFOSC光学系统的最后一个场镜,而杜瓦电
路盒(前置放大器)D的输出信号提供第一级放大,以减少信号在较长的传输距离中引进的
环境噪声。
CCD控制器的总体结构如图1所示。当开始一幅图像曝光时,主控计算机将各参数传给时序电路
板并发出开始曝光命令,时序电路板接到命令后,请求外设控制板打开快门并由外设控制板监控曝
光时间。曝光结束后,外设控制板关上快门,通知时序电路板和主控计算机开始读出图像。时序电
D电荷转移所需的时序以及控制信号。根据这些信号,模拟电路板驱动相应的数模转换
单元(DAC)产生相应的波形和偏置电压,以及模拟控制板数据采集部分所需要的控制信号。模拟
板上的信号采集电路负责采集、D的图像信号。时序电路板读取模拟板上的图像数据
并将它通过光纤送给主控计算机。主控计算机重新排列图像信号,将之以FITS格式存储下来。主控
计算机上的软件也可以显示FITS格式图像。
 

时序电路板结构如图2所示。它是以MOTOROLADSP56001数字信号处理器为核心的计算机模块。
这种处理器有24个数据位、16个地址线、内置存储器、外设通讯口以及很丰富的指令集。它用
40MHz的时钟驱动,多数指令只需要100ns。DSP56001的存储器分为X存储器、Y存储器和P存储器,
DSP可以对这3个内存分别寻址。
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