一种用于电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源

摘要

本发明涉及一种用于电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源，包括上位计算机和相连的主控模块，主控模块连接多路脉冲可调信号源；上位计算机将设置的高低电平值转换为数字信号传输给主控模块，主控模块控制多路脉冲信号源生成不同的时序波形提供给电子倍增CCD电路，通过上位计算机任意调节脉冲信号源的高低电平值，最小设置精度达到毫伏级，波形建立时间达到纳秒级，方便设置任意一路EMCCD电路脉冲时序的高低电平，以达到其最佳成像效果。每路信号源具有瞬间大电流驱动能力，满足EMCCD电路高频大容性负载的驱动需求，驱动能力达到数百毫安，远远超过普通运放输出所能达到的电流范围。同时每路信号源均具有过流保护功能，防止因电流过大对驱动电路造成损伤。

说明书

技术领域：

本发明涉及电子倍增CCD技术领域，具体是一种用于电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源。

背景技术：

电子倍增CCD（EMCCD）技术属于微光成像领域，EMCCD电路具有灵敏度高、噪声低、量子效率高等优势。为了使EMCCD电路正常工作，需要多路幅度可任意调节的脉冲信号源,脉冲信号源将主控模块产生的时序信号转换为满足EMCCD电路幅值要求的驱动信号,为电路提供垂直转移时钟、水平转移时钟等驱动信号。由于EMCCD器件制作工艺问题，每只器件的工作点电压并不完全一致，为了获得最佳的成像效果，需要分别对每只器件的信号源时钟进行高低电平值的设置。脉冲信号源输出的各路信号所要求的高低电平值需要实时调节，多路可调信号源保证了EMCCD电路能进行各项参数测试和图形成像，并获得最佳成像效果。

常规数字信号源只能满足EMCCD驱动信号电平幅度的要求，但因为EMCCD输入管脚均为高容性负载（nF级），不能使用常规数字信号直接驱动，否则会因为充电时间过长而导致波形上升边沿变缓，进而影响器件的工作频率，所以EMCCD脉冲信号源峰值电流驱动能力需要达到安培级，才能保证电路正常工作。同时，由于峰值驱动电流过大，EMCCD脉冲信号源还需具备过流保护功能，防止工作电流过大对驱动电路造成损伤。

经过对现有专利检索，中国实用新型专利《一种用于EMCCD驱动的高稳定性线性可调电源电路》（专利号CN205792237U），实现了一种EMCCD直流驱动信号源，该发明为EMCCD电路提供实时可调的直流驱动信号，但无法提供EMCCD工作所需的交流脉冲信号。中国发明专利《一种用于EMCCD的数控高压倍增电路》（专利号CN104735370B），包括直流电平转换电路、数模转换电路和推挽驱动电路，提供了一种用于EMCCD的数控高压倍增电路，满足倍增稳定性，具备小型化和低功耗的特点，该专利没有解决容性负载驱动的问题，无法提供瞬间的大电流驱动能力。

发明内容：

本发明的目的就是为了解决现有技术中脉冲信号存在的缺陷，提供的一种用于EMCCD的多路可调脉冲信号源。

本发明采用了如下技术方案：

一种用于电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源，其特征在于包括：

上位计算机和相连的主控模块，主控模块连接多路脉冲可调信号源；

上位计算机将设置的高低电平值转换为数字信号传输给主控模块，主控模块控制多路脉冲信号源生成不同的时序波形提供给电子倍增CCD电路。

在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步的技术方案：

所述的每路脉冲信号源包括与主控模块相连的两路DA转换电路及整形滤波电路；

一路DA转换电路依次连接高电平驱动电路的放大电路、三极管扩流电路以及脉冲信号驱动电路；

另一路DA转换电路依次连接低电平驱动电路的放大电路、三极管扩流电路以及脉冲信号驱动电路；

整形滤波电路连接脉冲信号驱动电路；

主控模块产生的时钟脉冲信号经整形滤波电路整形后传送到脉冲信号驱动电路，同时主控模块将上位计算机设置的脉冲信号源的高低电平通过DA转换电路转换为模拟直流电平，再经过放大电路进行电平放大和扩流电路扩流，放大扩流后的电压即为脉冲信号源的高低电平，分别连接到脉冲信号驱动电路，脉冲驱动电路将整形滤波电路输出的时钟信号进行电平转换和扩流后输出。

所述放大电路包括运放UP1A，其正端通过电阻R188连接前端DA转换器的输出端VSP_CH1，运放UP1A的负端分两路，一路通过电容C114连接至UP1A的输出端、另一路连接电阻R198及电容C115一端，电容C115一端另一端连接AGND端， DA转换器的输出端VSP_CH1通过电阻R190和R196连接于UP1A的负端；

UP1A还连接电容C111、C112的一端，电容C111、C112的另一端连接AGND端。

所述三极管扩流电路包括：一个双二极管D2，双二极管D2之间连接于运放UP1A的输出端， 还包括三极管Q3、Q5、Q7和Q9，以及电阻R186、R192、R194和R200，三极管Q3的基极连接于双二极管D2的正极、集电极连接电阻R186一端，电阻R186另一端连接于双二极管D2的正极，三极管Q5的基极一路连接于三极管Q3的射极、另一路连接电阻R192和电阻R194，电阻R192和电阻R194之间连接于三极管Q5的射极；

三极管Q7的射极与三极管Q5的射极连接，三极管Q7的基极与电阻R194一端以及三极管Q9的射极连接，三极管Q7的集电极与三极管Q9的基极及双二极管D2的负极连接，三极管Q7的集电极与三极管Q9的集电极之间还连接电阻R200。

所述脉冲信号驱动电路包括，高速集成驱动芯片DA1， DA1的1脚和5脚为电源的正负极、4脚接地，DA1的8脚和6脚为高电平电压输入端和低电平电压输入端；

四个电容C3、C5、C7、C9和电感L1组成一个高电平直流滤波网络，电感L1一端连接可编程高电平电压、另一端连接DA1的8脚，电感L1两端分别并联两个电容C3、C5和C7、C9的一端，电容C3、C5和C7、C9的另一端并联在一起，可编程高电平电压来自三极管扩流电路的输出；

四个电容C4、C6、C8、C10和电感L2组成一个低电平直流滤波网络，电感L2一端连接可编程低电平电压、另一端连接DA1的6脚，电感L2两端分别并联两个电容C4、C6和C8、C10的一端，电容C4、C6和C8、C10的另一端并联在一起，可编程低电平电压来自三极管扩流电路的输出；

DA1的7脚连接电阻R1输出交流波形，输入波形通过电阻R2连接到DA1的3脚，输入波形由主控模块输入，防接反的二极管VD1一端连接使能端，二极管VD1另一端分两路，一路连接于DA1的2脚、另一路通过电阻R4连接于DA1的1脚，DA1电路的3脚为使能端，该端连接输入负载电阻R4。

本发明的提供的一种用于EMCCD的多路可调脉冲信号源，可同时输出多路幅度可调的脉冲信号源，为EMCCD器件提供能够正常工作所需的时钟脉冲信号。为了使脉冲信号源能够驱动EMCCD输入管脚的高容性负载（nF级），需要脉冲信号源具备较强的瞬间大电流驱动能力。

由主控模块输出的数字波形经过整形滤波电路整形后，需要经过脉冲信号驱动电路，用以提供驱动能力。可调脉冲信号源的主要作用是将主控模块所产生的时序信号转换为满足EMCCD幅值要求的时钟驱动信号，同时，每路脉冲信号源需提供高速大电流驱动，用于驱动EMCCD高频大容性负载（nF级），脉冲信号源的高低电平也需要根据实时可调节。

因为EMCCD器件启动瞬间驱动电流较大，为防止输出电流超出阈值，脉冲信号源设计了过流保护功能，防止输出过流对信号源造成损伤。脉冲信号源采用模块化设计，可根据不同EMCCD的工作需求，任意扩充。

为了实现信号源高低电平可调，需要通过上位计算机分别设置脉冲信号源的高低电平，上位计算机将设置的高低电平值转换为数字信号，再由主控模块通过DA转换电路将数字信号转换为模拟直流电平。由于EMCCD电路所需要的脉冲信号源电压大于DA转换器输出的电压极限能力，为了扩展DA转换电路输出的电压范围，同时增加输出驱动电流能力，在DA转换电路后分别加入了放大电路和三极管扩流电路。脉冲信号驱动电路将整形滤波电路输出的驱动信号进行电平转换和扩流，扩流电路还同时具备限流保护功能，满足EMCCD电路对时钟脉冲信号的需求。

本发明发明的有益效果

电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源可通过上位计算机任意调节脉冲信号源的高低电平值，最小设置精度达到毫伏级，波形建立时间达到纳秒级，方便设置任意一路EMCCD电路脉冲时序的高低电平，以达到其最佳成像效果。

每路信号源具有瞬间大电流驱动能力，满足EMCCD电路高频大容性负载的驱动需求，驱动能力达到数百毫安，远远超过普通运放输出所能达到的电流范围。同时每路信号源均具有过流保护功能，防止因电流过大对驱动电路造成损伤。

附图说明：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的单路脉冲可调信号源框图；

图3是本发明的放大电路与三极管扩流电路原理图；

图4是本发明的脉冲信号驱动电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、如图1所示，本发明的一种用于电子倍增CCD的多路可调脉冲信号源，包括上位计算机、主控模块、多路脉冲可调信号源。上位计算机将设置的高低电平值转换为数字信号传输给主控模块，再由主控模块控制多路脉冲信号源生成不同的时序波形提供给电子倍增CCD电路。

2、单路的脉冲信号源如图2所示：

包括与主控模块相连的两路DA转换电路及整形滤波电路；

一路DA转换电路依次连接驱动高电平的放大电路、三极管扩流电路以及脉冲信号驱动电路；

另一路DA转换电路依次连接驱动低电平的放大电路、三极管扩流电路以及脉冲信号驱动电路；

整形滤波电路连接脉冲信号驱动电路。

主控模块产生的时钟脉冲信号经整形滤波电路整形后传送到脉冲信号驱动电路，同时主控模块将上位计算机设置的脉冲信号源的高低电平通过DA转换电路转换为模拟直流电平，再经过放大电路进行电平放大和扩流电路扩流，放大扩流后的电压即为脉冲信号源的高低电平，分别连接到脉冲信号驱动电路，脉冲驱动电路将整形滤波电路输出的时钟信号进行电平转换和扩流后输出。

3、放大电路与三极管扩流电路如图3所示，图中左半部分为放大电路原理图，右半部分为三极管扩流电路原理图。VSP_CH1为前端DA转换器的输出端，用于设置IF1H端的输出电平。放大电路通过运放UP1A正反馈放大，将DA转换器输入的VSP_CH1电压放大两倍，满足EMCCD时钟脉冲信号的所需的电平幅度。

C111,C112为运放电源端的滤波电容，用于滤除电源中的交流成分。C115电容起储能滤波的作用，因为IF1H为三极管扩流电路的输出端，相当于后级驱动电路的电源，C115电容可以储能避免瞬间运放电压波动。C114电容的作用是防止运放产生自激振荡。R198和R196电阻阻值相同，起的作用是将输出电压IF1H进行二分之一分压，即输出IF1H电压是运放UP1A2脚负向输入端的两倍时，运放输入正负平衡，实现运放两倍放大功能。

当DA转换器输出端VSP_CH1设置为某个预定值时，由于运放UP1A正向输入端电压此时大于负向输入端电压，又因为运放增益很大，导致运放输出也会动态增大，在运放动态调整过程中，会自动调整IF1H端输出两倍于VSP_CH1电压，使得运放正负端处于平衡状态，运放处于稳定的两倍放大状态。

三极管扩流电路的作用是将电平的驱动能力提升到数百毫安，远远超过普通运放输出所能达到的电流范围，可以满足后级的脉冲信号驱动电路驱动大电容所需的瞬间大电流。具体电路实现如下：

扩流电路中，运放UP1A1脚输出端连接到一个双二极管D2，这个双二极管D2是为了防止交流信号的交越失真。

Q3,Q9两个三极管提供扩流的功能，当负载需要较大电流时，三极管B级和E级之间电流增大，根据三极管放大倍数，C级和E级之间电流更多倍增加，因此输出端IF1H直接从电源VCC或VSS中取得大电流，即为输出IF1H提供扩流。

三极管Q5和Q7与电阻R192,R194配合工作，起保护作用。以电阻R192、R194的值选择为3欧姆为例，当流过电阻R192、R194的值电流超过200mA时，电阻R192、R194两端电压约为0.6V左右，该电压值大于保护三极管Q5与Q7的B级和E级的导通电压，从而使得保护三极管Q5与Q7的C级和E级之间导通，这种状态下扩流三极管Q3和Q9的B级和E级之间的电压降低，C级和E级之间的电流减小，扩流三极管Q5与Q7将一定程度关闭并减小电流输出，同时维持在一个新的低电流平衡状态，从而实现输出电流保护功能。以此为例，当需要更改扩流三极管的输出电流保护阈值时，仅需更改电阻R192、R194的阻值即可。

R186和R200是为扩流三极管Q3和Q9的基极B提供电流。

4、经过扩流的程控电平直接与图4脉冲信号驱动电路中的可编程高电平电压或可编程低电平电压相连，最终以驱动器输出高低电平的状态施加到被测的EMCCD器件上。

脉冲信号驱动电路原理图如图4所示，高速集成驱动芯片即可满足驱动设计需求，选择EL7156集成芯片，其主要作用是对主控模块发出的驱动信号进行电平转换和扩流。EL7156集成芯片的1脚和5脚为电源端，分别为电路提供固定的正负电源，4脚接地。EL7156的8脚和6脚为高电平电压输入端和低电平电压输入端，C3、C5、C7、C9四个电容和电感L1组成一个直流滤波网络，用于对输入到8脚的直流电平进行滤波，可编程高电平电压来自图3中三极管扩流电路的输出。C4、C6、C8、C10四个电容和电感L2组成一个直流滤波网络，用于对输入到6脚的直流电平进行滤波，可编程高电平电压和可编程低电平电压来自图3中三极管扩流电路的输出，可根据需要设置可调脉冲信号源的高低电平，通过EL7156电路的7脚输出交流波形，交流波形的高低电平则分别通过8脚和6脚的电平进行设置，电阻R1为输出波形的限流电阻。EL7156电路的2脚为输入波形端，由主控模块输入工作波形，VD1为防接反二极管，输入端的工作波形经驱动芯片EL7156转换为频率不变，高低电平可编程控制的输出波形。EL7156电路的3脚为使能端，R4为输入负载电阻，R2为限流电阻，由主控模块控制EL7156芯片工作与否。