非制冷紅外焦平面陣列器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
非制冷紅外探測(cè)器以及由多個(gè)敏感單元構(gòu)成的紅外焦平面陣列在軍事及民用領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。非制冷紅外探測(cè)器工作于室溫下,所以又稱之為室溫紅外探測(cè)器。
UFPA是非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心,決定了系統(tǒng)的性能參數(shù)和成像質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高UFPA的性能,除提高工藝水平外,還需設(shè)計(jì)高質(zhì)量低噪聲的驅(qū)動(dòng)電路,使UFPA處于最佳工作狀態(tài),以提高系統(tǒng)的成像品質(zhì)。
1 UFPA的結(jié)構(gòu)及工作原理
本電路采用的384×288像素非制冷紅外焦平面器件為ULIS公司生產(chǎn)的非晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)UL03191,其主要由一個(gè)二維微測(cè)輻射熱計(jì)陣列(FPA)和一個(gè)內(nèi)部集成的熱電制冷器(17EC)組成,熱電制冷器通過(guò)對(duì)焦平面溫度的精確控制使焦平面獲得穩(wěn)定的工作溫度。ULO3191殼體外形緊湊,其像感面面積為9.6 mm×7.2 mm,重量≤25克,像元間距為25 μm,最高幀頻100 MHz,帶有一個(gè)模擬輸出和一個(gè)數(shù)字輸出。
UL03191采用脈沖電壓偏置,對(duì)紅外輻射進(jìn)行逐行積分,然后將目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號(hào);而讀出電路逐點(diǎn)讀出像素電流信號(hào),并由讀出電路的電容反饋跨導(dǎo)放大器(CTIA)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),最終由多路復(fù)用器將經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)逐行輸出。
2 UFPA的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
非制冷紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提供滿足探測(cè)器正常工作的幾個(gè)偏置電壓,提供MC、INT和RESET等時(shí)序脈沖,以及提供熱電穩(wěn)定器和溫度環(huán)控制的接口信號(hào)。
2.1 偏置電壓電路的設(shè)計(jì)
為了非制冷紅外焦平面陣列正常工作,驅(qū)動(dòng)UFPA中的讀出電路,保證探測(cè)器熱電穩(wěn)定,并且使UFPA具有較大的動(dòng)態(tài)范圍和較好的NETD性能,偏置電壓電路應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)緊湊,性能穩(wěn)定、精度高、保護(hù)措施嚴(yán)密等特點(diǎn)。
本方案采用多片LTl761-5、LTl761-3.3分別得到5 V、3.3 V;用LTl761-2.8得到VBUS所需的2.8 V電壓;GFID,VSK,GSK均采用LTl-761通過(guò)分流電阻獲得各自所需電壓值。
2.2 脈沖電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
探測(cè)器工作所涉及的時(shí)序不只一個(gè),幾個(gè)時(shí)序要求同步,所以最理想的方法就是用一個(gè)晶振源通過(guò)可編程邏輯器件產(chǎn)生所需的時(shí)序脈沖。
(1)MC(Master Clock)是對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行操作的基礎(chǔ),所有操作都在MC的控制下協(xié)作統(tǒng)一。MC控制寄存器進(jìn)行像素尋址。MC的頻率不能高于384×288 MHz,且其占空比為50%。MC的上升和下降時(shí)間需低于lO ns。
(2)積分脈沖INT(Integration Phase)是使ULO3191進(jìn)行每一行像素積分的信號(hào)。當(dāng)INT為高電平時(shí),允許對(duì)來(lái)自微測(cè)輻射熱計(jì)的一行像元信號(hào)進(jìn)行積分。INT必須在MC的上升沿改變狀態(tài),同時(shí)必須是RESET信號(hào)的低電平期間。
(3)RESET信號(hào)能使UL03191復(fù)位,這樣,UL03191就會(huì)從探測(cè)器的有效區(qū)域的第一行開(kāi)始積分。RESET信號(hào)必須在MC的上升沿改變狀態(tài),且RESET信號(hào)不能在一幀內(nèi)發(fā)生兩次及以上。RESET信號(hào)時(shí)長(zhǎng)至少為1倍MC時(shí)間,其下降沿必須在INT下降沿之前。
本方案采用Xilix公司的CPLD器件XC2C128為探測(cè)器提供時(shí)鐘信號(hào)、RESET、積分脈沖INT等信號(hào)。CPLD通過(guò)對(duì)27 MHz晶振進(jìn)行4分頻,為MC提供6.75 MHz頻率時(shí)鐘。紅外焦平面的有效尺寸為384×288,即384列,288行。這里取紅外圖像的幀頻為50 Hz。脈沖時(shí)序的仿真圖如圖3所示。
2.3 溫度檢測(cè)及控制電路的設(shè)計(jì)
評(píng)論