一种高压方波增益驱动信号幅度控制装置

摘要

本发明是一种高压方波增益驱动信号幅度控制装置，其特征在于：主要包括通用计算机、单片机、数模转换器、高压放大器、高压线性电源、直流偏置电路、监控电路、滤波电路，其中：单片机连接通用计算机，单片机连接数模转换器；单片机连接监控电路；高压放大器分别连接直流偏置电路、数模转换器和高压线性电源，接收由高压线性电源提供的高压直流电压、直流偏置电路提供的直流偏置电压信号和数模转换器生成的原始模拟电压信号，输出高压直流电压信号；监控电路的输入端连接滤波电路输出端，生成并输出以数字量表示的取样信号值；滤波电路的输入端连接到高压放大器的输出端，输出滤波后的高压直流电压信号作为方波发生电路的供电电源。

说明书

技术领域

本发明属于微光成像领域，涉及一种输出电压可控制的高压电源 装置，主要应用于微光成像领域的电子倍增电荷耦合器件所特有的高 压电子增益方波驱动信号的幅度控制。

背景技术

电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Couple  Device，EMCCD)是近十年来在电荷耦合器件图像传感器领域出现的 一项新技术，其在硅片上单独集成了数百级电子倍增寄存器，利用相 邻两个栅极所形成的高压电场可在电子域将信号电子放大1000倍以 上，获得非常高的灵敏度，特别适合于微光成像。相比于传统带像增 强器的电荷耦合器件，其结构和体积大大简化，在某些重量和体积敏 感的应用场合具有较大优势。但电子倍增电荷耦合器件需要一种特有 的低电压为4.0V高电压在20V～49V范围内可调的正弦波或方波驱 动信号来产生电子增益。电子倍增电荷耦合器件的电子增益倍数与增 益电压幅度及电荷耦合器件工作温度的关系可用图2来表示，当增益 电压幅度低于20V电压时，基本不产生电子增益；随着电压幅度升 高，电子增益倍数迅速增大，在电荷耦合器件工作在零下45℃以下 且增益电压大于46V时电子增益倍数可达到1000倍以上。因此，根 据具体使用环境来设定电子倍增电荷耦合器件的电子增益倍数就显 得特别重要，归根结底就是要根据需要控制高压增益驱动信号的幅 度。

电子倍增电荷耦合器件高压增益驱动信号可采用方波或正弦波 驱动，但由于方波驱动信号更容易实现且对相位要求相对宽松，目前 绝大部分电子倍增电荷耦合器件相机都是采用高压方波信号来驱动 电子倍增寄存器产生增益电子。对于高压方波驱动信号发生装置来 说，目前采用的信号幅度调节方法主要是通过一个DC-DC电压模块 将系统电压升压到50V以上，再级联一级高压线性稳压器LDO，通 过高压数字电位器作为高压线性稳压器LDO的电压调节端电阻，再 采用单片机来设置高压线性稳压器LDO的电压调节端电阻阻值大小 从而达到控制高压电源输出电压大小的目的。这种方法会使高压线性 稳压器LDO输入与输出之间产生较大电压差，最大将会达到30V左 右，会在高压线性稳压器LDO上产生大量热量，对系统可靠性及散 热设计带来较大麻烦，并且电能利用效率不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决电子倍增电荷耦合器件现有高压方波驱动信号幅度控制方 法电能利用效率不高、产生较大热量而导致系统可靠性大大降低的问 题，发明了一种可显著提高电能利用效率的一种高压方波增益驱动信 号幅度控制装置，提高了系统的可靠性。

(二)技术方案

本发明提供一种高压方波增益驱动信号幅度控制装置，其特征在 于：主要包括通用计算机、单片机、数模转换器、高压放大器、高压 线性电源、直流偏置电路、监控电路、滤波电路，其中：单片机连接 通用计算机，单片机接收通用计算机发送控制单片机内部程序运行的 控制命令；单片机连接数模转换器，单片机接收并将通用计算机发送 的数模转换器的输出电压设置值直接写入数模转换器内部的转换寄 存器，用于控制数模转换器将输出电压设置值转换为原始模拟电压信 号；单片机连接监控电路，单片机读取监控电路生成的以数字量表示 的取样信号值，依据取样信号值生成输出高压线性电源的使能控制信 号，并将该数字量反馈回通用计算机；高压线性电源连接到单片机， 接收单片机发送的使能控制信号，生成并高压放大器提供高压直流电 压；直流偏置电路，用于提为高压放大器提供直流偏置电压；高压放 大器分别连接直流偏置电路、数模转换器和高压线性电源，接收由高 压线性电源提供的高压直流电压、直流偏置电路提供的直流偏置电压 信号和数模转换器生成的原始模拟电压信号，并将原始模拟电压信 号、直流偏置电压信号经过线性放大，产生一个幅度可控的高压直流 电压信号；监控电路的输入端连接滤波电路输出端，用于对滤波电路 输出的高压直流电压信号实时取样并进行模数转换，生成并输出以数 字量表示的取样信号值；滤波电路的输入端连接到高压放大器的输出 端，接收并对高压直流电压信号进行滤波，输出滤波后的高压直流电 压信号作为方波发生电路的供电电源。

(三)有益效果：

本发明旨在解决现有电子倍增电荷耦合器件高压方波驱动信号 幅度控制装置电能利用效率不高、产生较大热量导致系统可靠性降低 的问题，该装置相比原有幅度控制方法电能利用效率提高了50％以 上，并可省去体积庞大的散热器，节省相机内部空间，同时提高系统 的可靠性，并可通过上位通用计算机软件直接在20V～50V范围内控 制输出电压，控制方法简单易操作，非常适合于电子倍增电荷耦合器 件的高压方波驱动信号的电压幅度控制。

附图说明

图1示出本发明高压方波增益驱动信号幅度控制装置示意图；

图2示出本发明增益倍数与电子倍增栅极电压幅度及工作温度关 系曲线；

图3示出本发明中高压线性电源实施例图；

图4示出本发明中直流偏置电路实施例原理框图；

图5示出本发明中高压放大电路实施例；

图6示出本发明中高压输出监控电路实施例；

图7示出本发明中滤波电路实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明是针对电荷耦合器件(CCD)的实施例，所述电荷耦合器件 为面阵电荷耦合器件，本领域技术人员通过本发明下面的实施例，能实 现涉及驱动任一面阵电荷耦合器件的高压方波增益驱动信号幅度控制 装置，下面仅以驱动CCD相机中电子倍增电荷耦合器件对高压方波增 益驱动信号幅度控制装置为例介绍实施例：

本发明的一种高压方波增益驱动信号幅度控制装置，采用受通用 计算机软件控制的单片机来控制一个数模转换器输出电压大小，并将 该输出电压经过一个单电源、大输出电流的高压运算放大器线性放大 6倍，同时由一个直流偏置电源为高压放大器提供直流偏置信号，使 高压放大器输出电压在20V～50V之间可控制，并采用一个电压监控 模块监控输出电压，确保系统出现异常时立即关断输出电压，保护电 子倍增电荷耦合器件安全。

如图1示出一种电子倍增电荷耦合器件的高压方波增益驱动信 号幅度控制装置包括：主要包括一种高压方波增益驱动信号幅度控制 装置，其特征在于：主要包括通用计算机PC、单片机MCU、数模转 换器DAC、高压放大器、高压线性电源、直流偏置电路、监控电路、 滤波电路，其中：单片机连接通用计算机，单片机接收通用计算机发 送控制单片机内部程序运行的控制命令；单片机连接数模转换器，单 片机接收并将通用计算机发送的数模转换器的输出电压设置值直接 写入数模转换器内部的转换寄存器，用于控制数模转换器将输出电压 设置值转换为原始模拟电压信号；单片机连接监控电路，单片机读取 监控电路生成的以数字量表示的取样信号值，依据取样信号值生成输 出高压线性电源的使能控制信号，并将该数字量反馈回通用计算机； 高压线性电源连接到单片机，接收单片机发送的使能控制信号，生成 并高压放大器提供高压直流电压；直流偏置电路，用于提为高压放大 器提供直流偏置电压；高压放大器分别连接直流偏置电路、数模转换 器和高压线性电源，接收由高压线性电源提供的高压直流电压、直流 偏置电路提供的直流偏置电压信号和数模转换器生成的原始模拟电 压信号，并将原始模拟电压信号、直流偏置电压信号经过线性放大， 产生一个幅度可控的高压直流电压信号；监控电路的输入端连接滤波 电路输出端，用于对滤波电路输出的高压直流电压信号实时取样并进 行模数转换，生成并输出以数字量表示的取样信号值；滤波电路的输 入端连接到高压放大器的输出端，接收并对高压直流电压信号进行滤 波，输出滤波后的高压直流电压信号作为方波发生电路的供电电源。

所述高压线性电源是将电子系统输入的24V电压升压到54V，并 采用一级线性稳压器(Low Dropout Regulator)将高压线性电源输出的 高压直流电压稳定在52V，作为高压放大器的供电电源。所述高压放 大器采用单电源、大输出电流的高压运算放大器，用于将数模转换器 产生的原始模拟电压信号线性放大6倍。所述直流偏置电路为高压放 大器提供一路直流偏置电压信号，控制高压放大器输出的高压直流电 压信号的幅度产生20V的直流偏置。监控电路由取样电路和模数转 换器组成，取样电路对滤波电路输出的高压直流电压信号进行实时取 样，并输出到模数转换器中转换为以数字量表示的取样信号值。滤波 电路采用一个耐压为100V的10μF铝电解电容和1个1.0μF陶瓷电容 对高压放大器输出的高压直流电压信号进行滤波，滤除纹波噪声。在 单片机内部判断：当高压放大器输出的电压高于限定阈值电压时立即 关闭高压线性电源的输出，用于保护电荷耦合器件。

图2示出本发明增益倍数与电子倍增栅极电压幅度及二工作温度关 系曲线，电子倍增电荷耦合器件工作在某一特定工作温度时，电子倍 增电荷耦合器件的电子增益倍数与高压方波增益驱动信号的幅度存 在增函数关系：当高压方波增益驱动信号的幅度增大时，电子倍增电 荷耦合器件的电子增益倍数将会增大，因此要求电子倍增电荷耦合器 件的高压方波增益驱动信号的幅度在20-50V范围内可调。

如图3所示高压线性电源包括：直流-直流DC-DC电源、线性稳 压器LDO、输出电压调节电阻；线性稳压器连接到单片机MCU、 DC-DC电源和输出电压调节电阻，线性稳压器接收DC-DC电源输出 的54V电压，单片机MCU的使能控制信号以及输出电压调节电阻的 端接信号，输出稳定的52V电压。首先采用一个升压型(Boost)型直 流-直流(DC-DC)开关电源将电子系统输入的24V电源电压升压到 54V，输出到带有使能端的大电流线性稳压器LDO，通过输出电压调 节电阻将大电流线性稳压器LDO输出设置为52V，并且单片机MCU 通过线性稳压器的使能端直接控制大电流线性稳压器LDO输出，用 于在单片机MCU通过高压输出监控电路检测到高压放大器输出电压 超出限定阈值电压时切断52V电源输出。

如图4所示直流偏置电路实施例原理图，直流偏置电路包括：直 流电压源V1、电阻R1和电阻R2组成的电阻分压网络，直流电压源 V1为20V直流电压源V1，放大器U1组成的跟随器和由电容C1、 电容C2组成的直流电压源V1滤波电路；电阻R1和电阻R2串行连 接形成分压网络，该分压网络一端连接到直流电压源V1输出端，另 一端连接到地；电容C1和电容C2并行连接，形成滤波网络，该滤 波网络一端连接到直流电压源V1的输出端，另一端连接到地；放大 器U1的正相输入端连接到分压网络的电阻R1和电阻R2之间，放大 器U1的反相输入端连接到放大器U1的输出端，形成反馈回路。高 压放大器采用52V单电源方式工作，需要一个直流偏置电压V_ref输出 到高压放大反相输入端，使数模转换器输出的0～5V电压经过该直 流偏置电压调节后，高压放大器输出范围在20V～50V之间变化。采 用两个定值电阻R1和电阻R2对20V直流电压源V1的输出电压进 行分压，然后再采用由放大器U1组成的一级跟随器对定值电阻R1 和电阻R2分压得到的原始偏置电压进行跟随，减小输出阻抗，防止 后续电路对原始偏置电压造成不良影响。为降低直流电压源V1带来 的纹波对输出直流偏置电压造成波动影响，采用由电容C1和电容C2 组成的滤波电路对直流电压源V1输出电压进行滤波。

如图5所示本发明中单电源高压放大电路实施例包括：电阻R3 和电阻R4，滤波电容C3、C4、C5、C6，高压放大器U2，对地电阻 R_g和反馈电阻R_f，其中V2表示数模转换器，输出0-5.0V电压，V3 表示图4所示的直流偏置电路，V4表示图3所示的高压线性电源。

电阻R3与电阻R4组成求和网络，电阻R3输入端连接数模转换器 V2，电阻R4输入端连接直流偏置电路V3，电阻R3和电阻R4的输 出端连接在一起并共同连接到高压放大器U2的正相输入端；对地电 阻R_g输出端连接到高压放大器U2的反相输入端，输入端连接到地， 反馈电阻R_f的输入端连接到高压放大器U2的输出端，输出端连接到 高压放大器U2的反相输入端，对地电阻R_g，反馈电阻R_f与高压放大 器U2形成负反馈放大电路；滤波电容C5与数模转换器V2并联形成 数模转换器V2的滤波网络，滤波电容C6与直流偏置电路V3并联形 成直流偏置电路V3的滤波网络，滤波电容C3、C4与高压线性电源 V4并联并形成高压线性电源V4的滤波网络。高压放大器U2采用一 个耐高压，大输出电流的运算放大器作为主要元件对前级数模转换器 V2输出的0～5.0V电压进行线性放大，该电路设计指标为：单电源 52V供电，输入范围0～5V，输出范围20～50V，根据运算放大器输 入输出线性方程组：V_out=m·V_in+b    (1)

其中V_out为运算放大器的输出电压，V_in为运算放大器的输入电 压，m为放大倍数，b为输出偏置量。将输入0～5V，输出20～50V 带入方程可得：m=6，b20(2)

根据m，b的极性以及单电源供电运算放大器设计理论，设计了 如图5所示的高压放大器电路，由戴维南定理可计算得出输入输出之 间的关系可用下式来表达：

联合式(1)可得到如下关系式：

$\left(\begin{array}{c}m=\left(\frac{R_4}{R_3+R_4}\right)·(1+\frac{R_f}{R_g})\\ b=V_{\mathrm{ref}}\left(\frac{R_3}{R_3+R_4}\right)·(1+\frac{R_f}{R_g})\end{array}\right)---\left(4\right)$

求解上述关系式可得：

取V_ref10V，R₄=3k，则R₃=1k，反带入(4)式可得到

R_f=7R_g    (6)

取R_g=1K，则Rf=7k，由此计算出该电路的所有电路参数。其中 R3和R4分别为数模转换器V2和直流偏置电路V3的求和电阻，R_g为高压放大器U2的对地电阻，R_f为反馈电阻。

为减小电路中个关键电压信号的纹波，在数模转换器V2输出端 接入C5作为滤波电容，在直流偏置电路V3输出端接入C6作为滤波 电容，在高压线性电源V4输出端接入C3和C4作为滤波电容。

为确保电子倍增电荷耦合器件安全，在该可控高压电源输出异常 时，比如输出电压超过最高安全电压50V，应及时关断高压输出，以 免造成不可挽回的损失，为此设计了针对高压放大器输出的高压直流 电压信号的监控电路：如图6所示本发明中监控电路实施例，该电路 主要包括两个定值电阻R5和R6，放大器U3，模数转换器ADC；定 值电阻R5、R6与放大器U3组取样电路，定值电阻R5的输入端与 高压放大器电路V5连接，输出端与定值电阻R6输入端连接，定值 电阻R6输出端连接到地，组成分压电路；放大器U3正相输入端连 接到定值电阻R5的输出端，放大器U3反相输入端连接到放大器U3 的输出端组成跟随电路；模数转换器ADC连接到放大器U3的输出 端，对放大器U3输出的信号进行模数转换，并输出到单片机MCV。 定值电阻R5与R6对高压放大器电路V5输出的电压信号进行1：10 分压，将高压放大器电路V5输出电压减小为原来的1／10变为2.0～ 5.0V，后续再级联一级跟随器U3减小输出阻抗。之后由模数转换器 ADC将取样得到的模拟信号电压转换为数字量，通过单片机MCV以 固定频率直接读取模数转换后的数字量表示的取样信号值，并在单片 机MCV内部判断滤波器输出的高压直流电压信号是否超过限定阈 值，一旦超过限定阈值，立即向高压线性电源使能端输出低电平关闭 高压线性电源输出，使高压放大器断电，起到保护电子倍增电荷耦合 器件的作用。

如图7示出本发明中滤波电路实施例，该电路主要包括两个滤波 电容C7和C8，滤波电容C7、C8的输入端连接到高压放大器电路 V5，输出端连接到地。滤波电容C7和C8对高压放大器电路V5输 出的高压信号进行滤波，减少电路中的纹波噪声。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内， 可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。