- Докладчик: Фрейдинов Д.М.
- Тема: Результаты разработки ФПУ на базе ФППЗ формата 4096×4096
- Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»
Аннотация: В статье описываются принципы работы ФППЗ 4096М, стенда для проверки его фотоэлектрических параметров, а так же его недостатки и решения по их устранению, примененные при разработке нового ФПУ.
Введение
Прибор фоточувствительный с переносом заряда ФППЗ 4096М (далее ФППЗ) является широкоформатным радиационно-стойким матричным ФППЗ форматом 4096 × 4096 элементов, с размером фоточувствительного пикселя 11 × 11 мкм видимого диапазона 450 – 1000 нм.
ФППЗ предназначен для преобразования изображения в электрический сигнал для применения в областях, где необходимо достижение предельных физических параметров, прежде всего чувствительности и разрешающей способности, а значит дальности и точности обнаружения и определения объекта в сочетании с предельно высокой надежностью оборудования.
Радиационно-стойкий охлаждаемый ФППЗ обеспечивает повышенную точность и помехозащищенность угломерных приборов и оптико-электронных приборов астроориентации космических аппаратов, повышенную дальность обнаружения целей в условиях повышенной радиации и сверхширокополосного электромагнитного воздействия средств радиоэлектронного подавления и может применяться на космических аппаратах, в оптико-электронных комплексах наземного, воздушного и морского базирования, в технических и научных исследованиях, спектроскопии и т.д.
ФППЗ имеет четыре выходных узлов для вывода видеосигнала, позволяющие получать видеосигнал как с одного узла, так и одновременно с четырех, тем самым увеличивая скорость получения сигнала. Конструктивно ФППЗ обладает центральной симметрией, что позволяет устанавливать прибор в контактирующее изделие без привязки к первому выводу.
Стенд измерения электрических и фотоэлектрических параметров ФППЗ
В настоящее время для контроля электрических и фотоэлектрических параметров ФППЗ в рамках приемо-сдаточных испытаний и визуального контроля качества изображения используется стенд (далее Стенд ПСИ), принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.
Свет проецируется на ФПУ (ФППЗ) через осветитель со специальным фильтром с изображением тестовой таблицы для проверки фотоэлектрических параметров. При подаче служебных сигналов с платы обрамления ФПУ (ФППЗ) преобразует изображение в видеосигнал, которой проходит через плату обрамления и плату котроллера, в это время обрабатываясь и уходит по интерфейсу USB в персональный компьютер.
В данном стенде получение сигнала с элементов происходит последовательно через один выходной узел. С учетом того, что устройство имеет матрицу 4096 × 4096 элементов, частота работы прибора должна быть не менее 300 MГц, чтобы получать картинку, приближенную к изображению в реальном времени с частотой 20 к/сек. При увеличении частоты считывания необходимо обеспечивать соответствие электрических и фотоэлектрических параметров ФППЗ нормам при приемке и поставке. В настоящее время измерение параметров при проведении приемо-сдаточных испытаний осуществляется на частоте 2,0 ± 1,0 МГц.
Недостатки Стенда ПСИ
При работе на частоте выходного регистра 2,5 МГц, изображения с ФППЗ после преобразований поступают на устройство вывода через 7 – 8 секунд. Такие показатели не могут конкурировать с аналогами, в которых этот процесс занимает меньшее количество времени (0,3 – 0,4 сек). Решением такой проблемы может быть увеличение рабочей частоты прибора или получение видеосигнала одновременно с четырех выходных узлов матрицы с площади 2048*2048 элементов с последующим склеиванием/преобразованием их в целое изображение.
На рисунке 2(а) можно увидеть временные диаграммы выходного видеосигнала, сигналы выборки и фиксации на частоте 2,5 МГц. Видно, что сигналы идут в строгом порядке, что позволяет точно определять дельту между черным и былым цветом, что в итоге позволяет составить точное цельное изображение.
Видно, что сигналы выборки и фиксации смещены относительно видео сигнала за счет того, что на большой частоте по мере прохождения сигнала по проводам, соеденияющим элементы стенда, временные параметры изменяются.
На небольшой частоте, сигналы проходящие по шлейфу от ПЗУ до блока управления (БУ), будут приняты АЦП внутри БУ, и точно обработаны. На рисунке 3 представлено слабое место стенда – шлейф.
Длина шлейфа связана с конструкцией стенда, состоящий из нескольких комплектующих находящихся друг от друга на расстоянии. Для решения указанной проблемы требуется максимально компактно разместить все элементы стенда вместе для уменьшения задержек в сигнале.
Решения по устранению недостатков Стенда ПСИ
Одно из решений было реализовано на стенде для ФППЗ QUADRO, позволяющего получать сигнал с четырех выходных узлов матрицы одновременно для увеличения производительности при работе на тех же частотах.
На рисунке 4 представлена принципиальная схема стенда для проверки фотоэлектрических параметров ФППЗ QUADRO.
Изображение принимается с четырех выходных узлов матрицы, обрабатывается в АЦП сохраняется в собственную временную память, преобразуется попарно в двух устройствах на базе микросхемы Altera и полученные сигналы передаются по двум USB интерфейсам в ПК.
Разработка ФПУ
С учетом решений, реализованных в стенде для ФППЗ QUADRO и для решения проблем, связанных с длинной шлейфов, был разработан ФПУ. В его конструкцию вошли комплектующие стенда ПСИ с изменённой компонентной базой для уменьшения габаритов и плотного размещения в границах одного устройства, а также для увеличения максимальной рабочей частоты стенда до 20 МГц. В разработанном ФПУ помимо использования системы плотной компоновки плат предусмотрена функция считывания видеосигналов с четырех выходных узлов матрицы.
Данное ФПУ схематично представлено на рисунке 5.
(1- ФППЗ, 2- внутренние платы ФПУ, 3 — корпус и крышка ФПУ, 4 — водяное охлаждение для ФПУ)
При повышении рабочей частоты ФППЗ выделяет больше тепла, что потребовало внесение в конструкцию ФПУ мощного теплоотвода на основе водяного охлаждения. Также в конструкции предусмотрено воздушное охлаждение внутренних плат ФПУ.
ФПУ имеет четыре группы микросхем памяти. Объем памяти достаточен для записи одного кадра. ФПУ позволяет принимать данные от любого из четырех выходных узлов матрицы или от всех узлов одновременно.
Выводы
В настоящее время разработанное ФПУ может обеспечивать требования к ФППЗ 4096М при приемке и поставке при частоте получения изображений 3 к/сек. Дальнейшая работа по улучшению ФПУ направлена на повышение рабочей частоты за счет изменения компонентной базы, уменьшение габаритных размеров и доработку внешнего вида устройства.
Зубков Василий Иванович
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Вопрос:
Какие АЦП используются в разработанном стенде и в чем будет заключаться дальнейшее “изменение компонентной базы”?
Фрейдинов Д.М.
Ответ:
Используется AD9826 — специализированный 16 битный АЦП для обработки сигналов от ПЗС матриц. Трех канальный, с двойной коррелированной выборкой. Со Скоростью до 16МБит/с на канал.
Под дальнейшим изменением компонентной базы, пока подразумевается поиск комплектующих, позволяющих увеличить частоту работы устройства