基于FPGA和AD9240的非制冷焦平面阵列数据采集电路实现

卫 娜 李向东

数据采集功能模块是非制冷型红外热成像系统中的重要组成部分，是实现热图像正确显示的基础。非制冷型焦平面阵列在积分信号、行同步信号和像素时钟等逻辑输入信号的协同控制下，以模拟视频信号的形式逐帧、逐行输出热图像；焦平面阵列输出的模拟视频信号需要进行正确的数字化采样，以便于对原始热图像进行校正、增强等后续处理。非制冷型焦平面阵列逻辑输入信号产生模块与模拟视频信号的AD转换模块共同组成了非制冷型红外热成像系统中的数据采集功能模块。数据采集功能模块的具体实现方案可以采用多种不同的形式，本文介绍了一种基于FPGA与AD9240的实现方案，重点对AD9240相关电路的设计方法进行了详细讨论。

1 非制冷型焦平面阵列逻辑输入控制信号时序要求

焦平面阵列的逻辑输入控制信号作用于焦平面阵列的读出电路，用来控制传感器对热辐射图像的正确采样并按一定格式与速率进行输出。

图1为法国ULIS公司的非制冷型焦平面阵列UL03041在进行384×288格式输出时的时序图。其中时序关系要求如下：T1＞64μs，T2≥0，T3≥1.5μs，T4≥1.5μs，T5=4.7μs±30%，T6≥1.5μs。

2 FPGA设计

如图2所示，FPGA除产生焦平面阵列所需的逻辑输入控制信号外，还会输出AD9240所需的转换时钟，并且接收AD转换数据。产生焦平面阵列所需的逻辑输入控制信号对于FPGA设计来说是比较简单的，以一个简单的状态机为核心，外加几个计数定时器即可实现。在这里之所以采用FPGA主要是因为在整个系统设计中还要用FPGA实现其它功能。

图1 UL03041逻辑输入控制信号时序图

图2 数据采集功能模块框图

3 AD9240设计

3.1 AD9240简介

AD9240是AD公司生产的高速14位并行AD转换器，具有高的采样速率和转换速率，适用于视频采集和图像处理以及数字仪器仪表的信号采集。AD9240内部结构紧凑、集成度高，工作性能也好，因而可以大大减少印制板面积，降低系统成本。

AD9240的基本特点和参数如下：

（1）有可在内部采样保持的14位分级型AD转换器、并行输出接口和数据缓冲器；

（2）转换速率为10 MHz；

（3）信噪比SNR为77.5 dB；

（4）功耗仅为285 mW；

（5）杂散动态范围为90 dB；

（6）积分线性误差为2.5 LSB；

（7）带有输出越限指示；

（8）采用单电源5V供电；

（9）可与3.3 V或5 V等CMOS电路接口；

（10）电压输入方式、范围灵活可调。

图3 AD9240框图

3.2 速度/功耗编程

通过芯片BIAS引脚可以对AD9240的最大转换速度及相应的功耗进行编程。如图4所示，通过改变电阻RBIAS的阻值来确定速度/功耗工作点，RBIAS阻值的选取根据具体的使用要求，依据图5、图6来确定。

图4

图5

图6

图7

3.3 信号输入方式

图7为AD9240的等效输入电路图，输入的模拟信号VINA、VINB应满足如下关系：

AD9240提供了十分灵活的信号输入方式，主要分4大类：单端直流输入、单端交流输入、双端直流输入与双端交流输入。对于焦平面阵列输出的模拟信号通常通过运放以单端直流耦合的方式进行AD转换。为了提高输入信号的信噪比SNR，在AD9240的两个输入端VINA、VINB一般要串接30～50欧的匹配电阻。

3.4 参考电压设定

AD9240的参考电压VREF有两种设定方式：使用芯片内部参考电压源或外接参考电压。

如图8所示，AD9240的参考电压VREF由引脚SENSE连接方式决定。当引脚SENSE与引脚REFCOM直接短接时，转换开关将内部参考源输出连接到内部电阻网络，从而在VREF引脚处产生2.5V参考电压；当引脚SENSE与引脚VREF直接短接或通过外部电阻网络相连接时，在VREF引脚处将产生1V或1～5 V的参考电压；若引脚SENSE连接到AVDD时，可以从VREF引脚输入外部参考电压，这时内部参考源将不再起作用。

当应用于焦平面阵列时，一般采用内部参考，通过外接电阻网络，根据具体需要将参考电压设定在1～5 V之间，如图9所示。

在进行参考电压设定时，无论是采用内部参考电压还是采用外接参考电压，为了确保芯片正确工作，都需要在引脚CAPT与引脚CAPB之间外接电容网络进行退耦，图10给出了典型的电容网络连接形式与参数。

图9

图10

3.5 接地与退耦

进行正确接地是高速、高分辨率系统的基本要求，建议采用多层印制板设计单独的电源层、地层。在布线时，输出的数字信号绝对不能与输入信号平行，一定要与输入信号分开；地线引脚AVSS、DVSS和DRVSS必须在芯片下面直接连接起来。

实际电路中，AD9240需要对各种电源以及CML引脚进行退耦，具体设置如图11所示。

图11

[1]Complete 14-Bit, 10 MSPS Monolithic A/ D Converter AD9240 Data Sheet Analog Devices, Inc., 1998.

[2]Uncooled microbolometer detector recent developments at ULIS J.L. TISSOT*, C. T R O U I L L E A U, B. F I E Q U E, A. CRASTES, and O. LEGRAS ULIS, BP 27-38113 Veurey-Voroize, France.

[3]常本康，蔡毅.红外成像阵列与系统[M].北京：科学出版社，2006.