基于FPGA的软X射线CCD驱动电路设计

中 图分 类 号 ：ＴＮ３８６．５
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１６７４—６２３６（２０１６）０３—００９４—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｏｆｔ Ｘ—－ｒａｙ ＣＣＤ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
ＨＡＯ Ｙｕ—ｔｉｎｇ ，Ｗ ＥＩ Ｆｅｉ ，ＬＥＮＧ Ｓｈｕａｎｇ ，ＬＩ Ｍｉ—ｍｉ ’
点 ，近年 来 在 越 来 越 多 的空 间 Ｘ射 线 观 测 任 务 中得 到 应 用 。 就 能 够 达 到制 冷要 求 ［３１。 其 主要 的性 能 参 数 如 表 １所 示 。
科 学 级 ＣＣＤ 对 驱 动 电路 有 着 严 格 的 要 求 ，它 的 性 能 是
表 １ ＣＣＤ４２—１０ ＢＩ ＡＩＭＯ 性能参数值
（１．Ⅳ ｎ ｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｅｒ ｉｔｅｒ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｕｎｉｖｅｒ Ｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉ ｅｎ ｃ ｅ，Ｂｅｉ ｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：ＣＣＤ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍ ｐｏｎｅｎｔ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｓｏｆ ｔ Ｘ －ｒａｙ ｅｘｐｌｏｒ ｉｎｇ ｍｉｓｓｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆ ｏｒ ｓｐａｃｅ ｓｏｆｔ Ｘ－ｒａｙ ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ＣＣＤ４２－１０ ＢＩ ＡＩＭＯ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｅ２Ｖ Ｃｏｍｐａｎｙ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅａｄｏｕｔ ｓｐｅｅｄ．ａｎｄ ａ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＸＣ３Ｓ５ＯＯＥ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｕｓｉｎｇ ＶＨＤＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｉｍｉｎｇ，Ｔｈｅ ＣＣＤ ｉｓ ｄｒ ｉｖｅｎ ｂｙ ＥＬ７２０２ ｃｈｉｐｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅＣＣＤｐｅｒｆｏｒｍ ｅｄ ｓｔａｂｌｙ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍａｔｃｈｅｓｔｈｅｄｒ ｉｖｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＣＣＤ４２－１０ＢＩＡＩＭＯ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔ Ｘ—ｒａｙ；ＣＣＤ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＦＰＧＡ
动态范围 读 出噪声 （２０ ｋＨｚ）
３３３３３／１ ３ｅ－１ＴＩＩＳ
于ＣＣＤ驱动时序的设计。文中首先简单介绍了科学级探测
Hale Waihona Puke 程 的 加 热 机 制 及 其 动 力 学 行 为 具 有 极 其 重 要 的 研 究 价 值 【ｌＩ。
地减 少 暗 电 流 的 产 生 率 ，从 来 源 上 减 小 暗 电 流 噪 声 ，使
科 学 级 ＣＣＤ 由 于 其 体 积 小 、重 量 轻 、噪 声 低 、分 辨 率 高 等 优 对 ＣＣＤ的 制 冷 要 求 降 低 到 一 定 水 平 ，用 半 导体 制 冷 的方 法
灵敏度
４．５ ／ｅ－
计 方 法 主 要 有 单 片 机 驱 动 法 、ＥＰＲＯＭ 驱 动 法 和 ＤＳＰ驱 动 法
最大读出频率
３ ＭＨｚ
等 ，这些 设计 方 法 缺 乏 灵 活 性 、可 移植 性 差 。ＦＰＧＡ逻 辑控 制 电路 具 有 硬 件 可 编 程 、处理 速 度 快 、可 靠 性 高 等 特 点 ，非 常 适
摘 要 ：ＣＣＤ是 实现 空 间软 Ｘ射 线探 测 任 务 的 核 心 部 件 ，Ｅ２Ｖ 公 司的 科 学级 ＣＣＤ４２—１０ ＢＩ ＡＩＭＯ 对 空 间软 Ｘ射 线 探 测
具 有 较 高的 灵 敏 度 、低 噪 声 水 平 和 高读 出速 度 ，本 文 针 对 该 款 ＣＣＤ提 出 了一 种 基 于 ＦＰＧＡ 的 驱 动 电路 设 计 方 案 选
用 Ｘｉｌｉｎｘ公 司 的 ＸＣ３Ｓ５００Ｅ 作 为驱 动 电路 的核 心 器 件 ，通 过 ＶＨＤＬ语 言 对 驱 动 时 序 进 行 了硬 件 描 述 ．采 用 ＥＬ７２ｏ２作
为 ＣＣＤ驱 动 芯 片 。仿 真 与 实验 测 试 结 果 表 明 ，该 设 计 可 以 满 足科 学 级 ＣＣＤ４２—１０ ＢＩ ＡＩＭ：０ 的 驱动 电路 要 求 关 键 词 ：软 Ｘ射 线 ；ＣＣＤ；驱 动 电路 ；ＦＰＧＡ
空 间软 Ｘ射 线 观 测是 获 得 高 温 等离 子 体 温 度 、密 度 、运 动 ＣＣＤ。此 款 ＣＣＤ 采 用 背 照 式 结 构 ，适 用 于 空 间 Ｘ 射 线 观 测 ．
速 度 等 重 要 参 数 的有 效 途径 ，对 研 究 太 阳耀 斑 爆 发 及 演 化 过 显 著 提 高 了其 量 子 效 率 【２】。 高级 反 转 模 式 （ＡＩＭＯ）能 够极 大
第 ２４卷
Ｖ０ｌ－２４
电 子 设 计 工 程
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
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２０１６年 ２月
Ｆｅｂ．２０１６
基于 ＦＰＧＡ 的软 Ｘ 射线 ＣＣＤ驱动 电路设计
郝 玉婷 一，韦 飞 ，冷 双 ，李咪 咪 １，２
（１．中国科 学 院 空 间科 学 与 应 用研 究 中心 北 京 １００１９０；２．中国科 学 院 大 学 北 京 １００１９０）
影 响 ＣＣＤ 的 转 换 效 率 、信 噪 比 特 性 和 系 统 时 间 分 辨 率 水 平
Ｔａｂ．１ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆＣＣＩＭ２—１０ＢＩＡＩＭＯ
的重 要 因 素 。 因 此 ，驱 动 电路 的 设 计 是 科 学 级 ＣＣＤ在 空 间 Ｘ
性能参数
数值
射 线 观 测 应 用 中 的关 键 问 题 之 一 。传 统 的 ＣＣＤ 驱 动 时 序 设