隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展,科學(xué)級CCD(Charge Couple Device)由于其具有超高的量子效率、超低的讀出噪聲、高分辨率以及寬光譜響應(yīng)范圍等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種微弱光信號探測領(lǐng)域,包括天文觀測,生物發(fā)光,量子光學(xué)等。尤其在天文觀測中,目前國內(nèi)外建設(shè)的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡所應(yīng)用的核心成像設(shè)備均是科學(xué)級CCD相機。CCD相機由包括CCD傳感器的CCD相機頭和驅(qū)動CCD成像及數(shù)據(jù)讀出的CCD控制器組成。CCD控制器是CCD相機的關(guān)鍵的部分,完成對CCD芯片的驅(qū)動和視頻信號的讀出,它的性能直接決定了CCD相機的成像性能。同時科學(xué)級CCD芯片價格昂貴,容易損壞,為了避免CCD造成不必要的損壞,在安裝CCD前必須保證CCD控制器的功能及性能滿足設(shè)計需求,同時完成對CCD控制器的質(zhì)量控制。因此在研發(fā)過程中對CCD控制器進行全面測試是非常重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)不同CCD型號的差別提出了能適應(yīng)于不同CCD控制器的通用測試系統(tǒng)設(shè)計,通過軟硬件配合可以在不安裝CCD芯片的情況下實現(xiàn)對CCD控制器的全面的自動化測試。本文基于此需求對CCD控制器測試系統(tǒng)展開研究。測試系統(tǒng)基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計,是本文研究的重點。在測試系統(tǒng)中設(shè)計了測試所需的各個功能模塊,包括對控制器產(chǎn)生的時鐘信號、偏壓信號、風(fēng)扇信號、快門信號、數(shù)字電源進行測試,對控制器的視頻采樣電路、溫度采樣電路進行測試。在時鐘測試模塊中,對所有時鐘的時序以及高低電平進行測試;在偏壓測試模塊中,對所有偏壓的電壓值、噪聲值、上電斷電順序進行測試,并完成對偏壓實時的過沖監(jiān)測,避免對CCD造成損害;測試系統(tǒng)產(chǎn)生仿真CCD視頻波形并根據(jù)軟件設(shè)定疊加不同的隨機噪聲用于測試CCD控制器視頻采樣電路的功能及性能。本文針對不同CCD控制器的測試設(shè)計了相應(yīng)的轉(zhuǎn)接板,用于連接測試系統(tǒng)和待測試的CCD控制器。在轉(zhuǎn)接板上實現(xiàn)了測試接口的統(tǒng)一,通過更換相應(yīng)的轉(zhuǎn)接板測試系統(tǒng)可以兼容對所有CCD控制器的測試。測試系統(tǒng)對應(yīng)用于南極CSTAR(Chinese Small Telescope Array)望遠(yuǎn)鏡的CCD相機控制器進行了詳細(xì)的功能、性能測試以及嚴(yán)格的低溫可靠性測試。結(jié)果表明CCD控制器的時鐘產(chǎn)生電路、偏壓產(chǎn)生電路、以及視頻采樣電路功能正常,性能達到預(yù)期,并且在低溫下具有很好的穩(wěn)定性,滿足在南極的使用要求。本文對面向不同望遠(yuǎn)鏡研發(fā)的CCD相機控制器以及CCD驅(qū)動讀出ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片進行了測試。通用測試系統(tǒng)的實現(xiàn)極大程度上提高了CCD控制器的測試效率,降低了CCD芯片損壞的風(fēng)險,同時為后續(xù)科學(xué)級CCD控制器的研發(fā)與測試提供了諸多的便捷,為CCD控制器自動化測試奠定了基礎(chǔ)。本文通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計將測試系統(tǒng)實現(xiàn)成了一臺通用測試儀器設(shè)備,具有標(biāo)準(zhǔn)的測試接口以及可供用戶操作的觸摸顯示屏。本論文的主要工作內(nèi)容可歸納為以下幾個部分:1.基于科學(xué)級CCD控制器的測試需求,設(shè)計完成了CCD控制器通用測試系統(tǒng)電子學(xué)模塊,包括對CCD控制器的時鐘、偏壓、視頻采樣電路、溫度采樣電路、數(shù)字電源、風(fēng)扇信號以及快門信號進行測試。2.針對測試系統(tǒng)設(shè)計了一套通信指令協(xié)議,并完成了測試系統(tǒng)的FPGA固件設(shè)計。3.完成了通用測試電子學(xué)系統(tǒng)的整體調(diào)試,并對實驗室多款科學(xué)級CCD控制器以及CCD驅(qū)動讀出ASIC芯片進行了詳細(xì)測試,達到了測試目標(biāo)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN386.5
【部分圖文】：

ＭＯＳ電容器是ＣＣＤ內(nèi)部最基本的單元，它是金屬一氧化物一半導(dǎo)體（ＭＯＳ）??器件結(jié)構(gòu)。首先在Ｐ型或Ｎ型硅襯底上生長一層約１２０ｎｍ厚的二氧化硅，然后??在二氧化硅薄層上依次沉積金屬電極（柵極），就形成了如圖１．２所示規(guī)律的ＭＯＳ??電容器陣列。通過在ＭＯＳ電容器兩端加上輸入、輸出二極管就形成了?ＣＣＤ芯??片。由于半導(dǎo)體內(nèi)的光生伏特效應(yīng)［２］，當(dāng)光子入射時，ＭＯＳ電容器中的半導(dǎo)體材??料會激發(fā)出電子。當(dāng)向二氧化硅表面的金屬電極上施加正向偏壓ＵＧ時，如果ＵＧ??大于閾值電壓Ｕｔｈ，將會在硅襯底中形成耗盡區(qū)，即所謂的勢阱。通過對ＵＧ進行??一定順序的控制，可以將電荷從一個像元轉(zhuǎn)移到另一個像元，直到全部電荷包轉(zhuǎn)??９??

圖１．２?ＣＣＤ的ＭＯＳ電容器??下面以典型的三相ＣＣＤ電荷轉(zhuǎn)移過程為例進行介紹。當(dāng)柵極①施加１０Ｖ的??電壓時，電荷積累在其襯底下形成勢阱如圖１．３?（ａ）所示。隨后，當(dāng)柵極①和②??同時施加１０Ｖ的電壓時，會在其共同的襯底中產(chǎn)生一個新勢阱，存放著原來積??聚在柵極①勢阱中的電荷，如圖１．３?（ｂｅ）所示。當(dāng)柵極①施加的電壓從１０Ｖ變??為２Ｖ時，勢阱再次發(fā)生變化同時伴隨著電荷從柵極①勢阱轉(zhuǎn)移到柵極②勢阱，??如圖１．３?（ｄｅ）所示。對于三相ＣＣＤ，每一個像元都由共同的三個時鐘控制，即??０１、＜＆２、０３，如圖１．３?（ｆ）所示。當(dāng)ＯＫ?（Ｄ２、０３進行規(guī)律的時序變換時，所??有像元內(nèi)積聚的電荷都將同時轉(zhuǎn)移到下一像元，最后轉(zhuǎn)移到輸出級依次輸出。??③?①？?？?？?③??２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２－１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ１０Ｖ２Ｖ??—?義）講??①②③?①＠③??２Ｖ１０Ｖ－＾２Ｖ１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?，??９?９?９?９?叫－ｒｏｊ＾??電荷移動??（ｄ）?（ｅ）?（ｆｌ??圖１．３三相ＣＣＤ中電荷的轉(zhuǎn)移過程??圖１．４左是ＣＣＤ片內(nèi)的輸出結(jié)構(gòu)

／ｙ／?Ｍｏｓ電容器??入射光??圖１．２?ＣＣＤ的ＭＯＳ電容器??下面以典型的三相ＣＣＤ電荷轉(zhuǎn)移過程為例進行介紹。當(dāng)柵極①施加１０Ｖ的??電壓時，電荷積累在其襯底下形成勢阱如圖１．３?（ａ）所示。隨后，當(dāng)柵極①和②??同時施加１０Ｖ的電壓時，會在其共同的襯底中產(chǎn)生一個新勢阱，存放著原來積??聚在柵極①勢阱中的電荷，如圖１．３?（ｂｅ）所示。當(dāng)柵極①施加的電壓從１０Ｖ變??為２Ｖ時，勢阱再次發(fā)生變化同時伴隨著電荷從柵極①勢阱轉(zhuǎn)移到柵極②勢阱，??如圖１．３?（ｄｅ）所示。對于三相ＣＣＤ，每一個像元都由共同的三個時鐘控制，即??０１、＜＆２、０３，如圖１．３?（ｆ）所示。當(dāng)ＯＫ?（Ｄ２、０３進行規(guī)律的時序變換時，所??有像元內(nèi)積聚的電荷都將同時轉(zhuǎn)移到下一像元，最后轉(zhuǎn)移到輸出級依次輸出。??③?①？?？?？?③??２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２－１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ１０Ｖ２Ｖ??—?義）講??①②③?①＠③??２Ｖ１０Ｖ－＾２Ｖ１０Ｖ２Ｖ?２Ｖ?２Ｖ１０Ｖ?２Ｖ?
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 夏磊;劉毅;周靖宇;;自動測試系統(tǒng)通用測試平臺技術(shù)研究[J];電子測試;2017年12期

2 索中英;王麗;肖明清;;在通用測試平臺中基于小波包的信號測試研究[J];微計算機信息;2006年16期

3 ;通用測試為3G研發(fā)助力[J];通訊世界;2000年09期

4 劉收;;平流層飛艇地面通用測試原型系統(tǒng)設(shè)計[J];計算機測量與控制;2016年07期

5 荀永明;研討通用測試技術(shù)、助推測試設(shè)備的發(fā)展[J];計算機測量與控制;2005年08期

6 胡宇;文永康;;軍用飛機電子設(shè)備通用測試平臺[J];科學(xué)家;2015年11期

7 查光東;;機載火控系統(tǒng)通用測試平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J];計算機測量與控制;2009年01期

8 王玉芬;;智能型轉(zhuǎn)轍機通用測試臺的研制[J];鐵道通信信號;2009年06期

9 許友林,崔俊榮,陳曉明;艦船機電設(shè)備通用測試分析儀[J];中國儀器儀表;2001年03期

10 王建國,吳建平;分布式通用測試結(jié)構(gòu)的形式化研究[J];計算機研究與發(fā)展;2000年09期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張毅;面向科學(xué)級CCD控制器的通用測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 殷允浩;飛行器平臺管理分系統(tǒng)地面通用測試軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2018年

3 晁陽;高速航天視頻設(shè)備通用測試平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D];西安電子科技大學(xué);2014年

4 何鵬程;光電設(shè)備通用測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D];華中科技大學(xué);2007年

5 肖英;面向航天地面應(yīng)用領(lǐng)域軟件通用測試平臺研究與實現(xiàn)[D];西安電子科技大學(xué);2009年

6 李強;基于虛擬儀器的航電系統(tǒng)通用測試平臺研究與設(shè)計[D];上海交通大學(xué);2015年

7 馬娜;GIS公眾軟件通用測試點庫的研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2010年

8 郝君;舵機便攜式通用測試平臺的研究[D];中北大學(xué);2014年

9 張芳蘭;遠(yuǎn)程測試與診斷系統(tǒng)之通用測試子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

10 于海;電力規(guī)約通用測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D];南京信息工程大學(xué);2013年

本文編號：2871797