（电路与系统专业论文）spr生物传感器测控电路硬件研制.pdf

， u li i ii i i1 1 1 11 11 111 1i y y 17 9 818 1 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文5 尸足生物位虹象刈控电蜘殳舛研昝d 系本人在 南开大学工作和学 - j 期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏太堂图盘嬗差王握垒! 焦届堂僮途塞的筻堡壶这2 ：同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版丁提交1 年后，存校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：镌息科学誓防 作者签名：贡彰为化 学号：；2 1 2 o o e 0 2 争0 日期：功p 寥年5 月f 8 日 绝密 甫开大学非公开学位论文征明 2 f2 0 巧d 2 印d 姓名：贺鹏仁 s 尸r 生j 物馋怒装测拒屯绷件研剀 因( 请在口中选择) ： 申请专利或技术转让。密级：内部 保密科研项目或课题。密级：秘密或机密 其它( 请说明) 年( 请填写保密年限， j 年( 请填写保密年限， 年( 请填写保密年限， 年( 请填写保密年限， 3 年) 5 年) 础啤加侈争 1 0 年) 2 0 年) 注意：1 、非公开论文电子版全文亦需要在网上提交。呈交当年，在校园网上提供论 文目录检索、文摘浏览以及沦文全文部分浏览服务( 论文前1 6 页) 。保密 期限过后，允许校园网上的读者浏览并下载全文。 2 、请在印刷本封面右上角注明具体密级和保密期限。 导师签字： 主j 单位负责人签字： 单位盖章： 目彳 f 】期： 年月日 1 ， ；、 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 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c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) t e c h n o l o g y i sa l la d v a n c e dm e t h o df o rb i o m o l e c u l a ri n t e r a c t i o na n a l y s i s c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d ss u c h 嬲u l t r a c e n t r i f u g a t i o na n df l u o r e s c e n c e i th a st h e a d v a n t a g e so fr e a l t i m ed e t e c t i o n ，f r e el a b e l i n gr e q u i r e m e n t s ，m i n i m a ls a m p l e c o n s u m p t i o n ，e t c t h e i ra p p l i c a t i o n si na r e a so fd r u gf i l t r a t i o n ，c l i n i c a ld i a g n o s i s ， f o o da n de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dm e m b r a n eb i o l o g ya r er a p i d l ye x p a n d i n g i t h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o tr e c e n t l y t h i st h e s i s m a i n l ya c c o m p l i s h e d t h ec i r c u i td e s i g na n d t e s t i n go ft h e m u l t i c h a n n e ls p rb i o s e n s o rs y s t e m t h eh a r d w a r es y s t e ma r em a d eu po f p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h es i g n a lc o l l e c t i n gc i r c u i t ，t h ep r o c e s s i n gc i r c u i t a n dt h ec o n t r o l l i n gm o d u l eo ft h em u l t i c h a n n e ls c a n n i n g t h ep h o t o d i o d ea r r a y s m o d u l ec o n v e r t st h el i g h t s i g n a l si n t o e l e c t r i c a ls i g n a l sa n dc h a r g e st h es l e n d e r c u r r e n ts i g n a l si n t ov o l t a g es i g n a l s ，t h e na m p l i f i e sa n df i l t e r ss i g n a l s t h ed o u b l e - c o r e c i r c u i tw h i c hc o n s i s t so ft h em s p 4 3 0m c ua n dt h et m s 3 2 0d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s & ) i su s e df o rt h es i g n a l sc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n ga n dt h ec o m m u n i c a t i o n w i t hp c i ti sa l s ou s e df o rc o n t r o l l i n gt h ew i g g l yp u m p i no r d e rt or e a l i z et h e m u l t i - c h a n n e ls c a n n i n gi nt h es y s t e m ，t h es t e pm o t o rh a sb e e nd e s i g n e d ，a l s o t h el a s tp a r th a si n t r o d u c e dt h ed e b u g g i n gm e t h o df o re a c ho ft h em o d u l ei nt h e h a r d w a r es y s t e mr e s p e c t i v e l y t h er e f o r m a t i v es c h e m eh a sb e e nd i s c u s s e da sw e l l k e yw o r d s ：m u l t i c h a n n e l ss p r b i o s e n s o rs y s t e mm s p 4 3 0m c ut m s 3 2 0 d s p s t e pm o t o r p h o t o d i o d ea r r a y s 目录 目录 第一章绪论。1 第一节引言。l 第二节s p r 现象原理。l 第三节s p r 生物传感系统。2 1 3 1s p r 传感系统工作原理2 1 3 2s p r 的特点3 1 3 3s p r 传感系统的主要参数。4 1 3 4s p r 传感系统系统发展现状5 第四节本论文的主要内容。6 第二章s p r 生物传感系统硬件设计8 第一节传感器系统总体设计8 第二节传感系统的分模块介绍9 第三节本章小结1 1 第三章光电传感芯片驱动模块设计1 2 第一节n m o s 线性图像传感器1 2 3 1 1 $ 3 9 0 3 系列传感芯片简介1 2 3 1 2 光电二极管阵列图像传感器的特点1 3 3 1 3n m o s 图像传感器等效电路一1 4 3 1 4 $ 3 9 0 3 芯片管脚定义1 6 第二节传感器输出电路驱动设计17 3 2 1n m o s 线性传感器分类一1 7 3 2 2 光电二极管阵列驱动设计一1 9 第三节本章小结2 2 i i i 目录 第四章m s p 4 3 0 系列单片机2 4 第一节m s p 4 3 0 单片机功能介绍2 4 第二节m s p 4 3 0 的端口设置2 7 第二节m s p 4 3 0a d 与d a 转换模块2 8 4 3 1m s p 4 3 0 的a d 转换2 8 4 3 2m s p 4 3 0 的d a 转换3 0 第四节m s p 4 3 0 与p c 机之间的串口连接一3 1 第五节m s p 4 3 0 的其它模块电路设计3 4 4 5 1m s p 4 3 0 的时钟电路模块3 4 4 5 2m s p 4 3 0 的电源模块3 5 第六节本章小结3 5 第五章d s p 数据处理电路模块设计3 6 第一节t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片功能解析3 6 5 1 1t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的芯片构成3 6 5 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片的存储空间结构3 9 第二节f l a s h 存储器接口设计4 0 5 2 1f l a s h 存储器s s t 3 9 4 0 0 a 4 l 5 2 2t m $ 3 2 0 v c 5 4 1 0 与s s t 3 9 v f 4 0 0 af l a s h 接口设计4 l 第三节d s p 系统的电源电路以及时钟电路设计4 3 5 3 1d s p 系统电源电路4 3 5 3 2d s p 系统复位设计4 5 5 3 3d s p 芯片时钟电路设计4 5 第四节d s p 的h p i 主机接口4 7 第五节d s p 与m s p 4 3 0 之间的通信方式4 8 第六节本章小结5 0 第六章电控平移台驱动模块设计5l 第一节移动平台模块设计5 1 i v 目录 6 1 1 电控平移台系统5 1 6 1 2 步进电机简述5 1 第二节t a 8 4 3 5 型h 桥驱动芯片5 3 6 2 1 芯片t a 8 4 3 5 简介5 3 6 2 2t a 8 4 3 5 芯片细分工作原理5 5 第三节电机驱动电路连接设计5 6 6 3 1t a 8 4 3 5 芯片电路设计5 7 6 3 2 驱动模块供电设计一5 8 第四节本章小结5 9 第七章硬件系统调试与展望6 0 第一节系统的修改与完善6 0 第二节硬件系统的调试及注意事项6 1 7 2 1 光电二极管阵列模块调试6 l 7 2 2 信号处理模块调试6 2 7 2 3 电控平移台驱动模块调试。6 3 第三节生物传感系统硬件部分的展望6 4 第四节本章小结6 4 参考文献6 6 致谢6 8 附录6 9 个人简历7 2 v 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 技术由瑞典科学家 l i e d b e r g 等人在8 0 年代首次运用于i g g 抗体与其抗原相互反应的测定 1 】 2 3 】。随 后，该技术被引入生物传感器领域并迅速渗透到基础生命科学研究中。基于s p r 技术的光学生物传感器具有其它相互作用技术所无法比拟的优点，如不需对分 子进行标记、能实时检测生物分子结合反应的全过程等，其发展非常迅速，已 经成为一种成熟的检测生物分子间相互作用的方法【4 】。特别是在1 9 9 0 年，瑞典 的b i a e o r e a b 公司开发出世界上第一台商业化的s p r 生物传感器b i a c o r e t m 之 后，s p r 生物传感器的研究全面展开并不断深入，其应用范围不断扩大。近几 年，s p r 技术广泛应用于从蛋白、寡核苷酸、寡糖、脂类n d , 分子、噬菌体、 病毒颗粒、细胞等各种生物体系。商业化的s p r 生物传感器已经从根本上改变 了生物分子识别科学，成为生命科学和制药研究上的标准工具 5 】。 第二节s p r 现象原理 表面等离子体共振( s p r ) 是一种物理光学现象。等离子体通常是指由密度 相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等，内 部不形成空间电荷。如果我们把金属的价电子看成是均匀正电荷背景中运动的 电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属受到电磁干扰的时候，金属中 电子密度分布就会变得不均匀，在某一区域电子密度低于平均密度，形成局部 的正电荷过剩。这时，由于库仑引力作用，会把近邻的电子吸引到该区域，而 被吸引的电子由于获得附加的动量，又会使该区域聚集过多的负电荷。其后， 由于电子间的排斥作用，使电子再度离开该区域，从而形成价电子相对于正电 荷背景的密度起伏振荡。由于库仑力的长程作用，这种局部的电荷密度振荡将 形成整个电荷系统的纵向集体振荡，并以密度起伏波的形式表现出来。不难看 出，金属中价电子相对于正离子背景的这种振荡与导电气体中的等离子振荡相 似，故称为金属中的等离子振荡。当一光束从高折射率介质以大于临界角的角 第一章绪论 度入射到与低折射率介质的界面时，会发生全反射，入射光能量几乎全部被反 射回高折射率介质中。若在界面处镀上一层金属薄膜( 一般镀金膜或银膜) ， 则金属薄膜表面的自由电子受入射光激发形成表面等离子体波( s u r f a c ep l a s m o n w a v e ，s p w ) 。表面等离子体波是一种消逝波，在垂直于界面方向迅速消逝， 因而它基本沿金属薄膜表面传播，调节入射光波的波长入或入射角度0 的大小， 可以改变入射光波波向量在高折射率的电介质和金属薄膜界面上沿界面平行方 向的平行分量k ，。当这一平行分量k ，和表面等离子体的振动波向量k 。相等， 即k ，= k ，。时，就会发生表面等离子体共振现象，入射光能量将部分转移到表面 等离子体上，使相应的反射光光强减至最弱。此时，入射光波相应的波长或入 射角分别被称为谐振波长b 。或谐振角目嗍。研究表明，谐振波长旯铲。或谐振角 护嗍与金属薄膜另一侧的介质折射率及吸附在金属薄膜表面的分子质量密切相 关。因此，可以充分利用这一特性进行传感检n t 6 】t 7 】【8 】。 根据上述原理，s p r 生物传感器通常将已知的生物分子( 如单键d n a 分子) 固定在几十纳米厚的金属( 金、银等) 膜表面，加入与其互补的目标生物分子 ( 如目标d n a ) ，两者结合( 杂交) 将使金属膜与溶液界面的折射率上升，从 而导致谐振角改变，如果固定入射角度，就能根据谐振角的改变程度对互补的 目标生物分子进行定量检测。 第三节s p r 生物传感系统 1 3 1s p r 传感系统工作原理 s p r 传感系统一般采用入射光作为s p w 的激发源。图1 1 为棱镜耦合式s p r 传感系统的结构示意图，下面以此为例说明其结构原理：入射光射入棱镜后在 棱镜和金属膜的界面发生全反射，反射光感应系统用于接收反射光并测量光强， 在金属膜上制备有一层敏感膜( 其中含有可与待测生物分子反应的探针分子) ， 敏感膜与样品池中含有待测生物分子的样液充分接触。 2 第一章绪论 fl 栉璇 系统 图1 1s p r 生物传感系统结构示意图 入射光在棱镜和金属膜的界面上发生全反射时，会在金属膜中产生消逝波， 但消逝波的传播深度非常有限，入射光的全部能量均反射回棱镜中。然而当入 射光的波长及入射角满足一定条件时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。这 是因为此时发生了s p r 现象，即一部分能量通过金属膜内的消逝波在金属与敏 感膜的界面上传递给了表面等离子波，或者说消逝波与表面等离子波发生了共 振。共振时能量从光子转移到表面等离子体，因此可从反射光强上看到一个反 射率的最小尖峰，这个尖峰称为吸收峰，此时对应的入射光波长为共振波长， 对应的入射角为共振角。由于这种共振的发生，使得反射光的能量大幅衰减， 因此称这种全反射为衰减全反射( a t r ) 。 共振波长和共振角与敏感膜的介电常数有关，而敏感膜的介电常数在与待 测生物分子的相互作用过程中会发生变化，因此通过检测共振波长或者共振角 的变化可以了解待测生物分子及其与敏感膜相互作用的信息。利用恰当的测量 及数学处理手段，还可以计算待测分子在单位面积的结合量以及分子反应的动 力学过程。 1 3 2s p r 的特点 与一般的生物传感系统相比，s p r 传感系统具有以下特点： 无需标记。s p r 传感系统是通过对敏感膜折射率变化的检测，从而获得 生物分子相互作用的信息。与通常采用的荧光分析或e l i s a ( 酶联免疫吸附测定) 检测方法不同，无需对样品进行纯化或标记。这样就可省去样品的前期准备工 作，缩短了检测周期；此外还可避免标记物对检测可能造成的干扰。 第一章绪论 实时检测。s p r 生物传感系统采用的是光学检测手段，信息转换非常快 捷，因此可以对生物分子相互作用的整个过程进行实时检测。这样不但可以大 幅提高检测分析的速度，而且可以通过对检测结果的分析，得到作用过程的动 力学参数。 无污染检测。s p r 传感系统所采用的光学检测手段避免了与待测样品的 直接接触，因而不会对样品造成污染，保证了待测样品的长效性。 高灵敏度检测。由于金属膜具有良好的导电性，所以分布于金属膜与敏 感膜界面处的表面等离子波( s p w ) 产生的场主要分布于敏感膜一侧。这就使 得共振条件( 共振角或共振波长) 对敏感膜折射率的变化非常敏感。正因为如 此，s p r 传感系统具有很高的检测灵敏度，可以在很低的生物分子浓度水平下进 行交互检测。 由于s p r 生物传感系统具有实时、无标记、无污染和高灵敏度检测的突出优 点，所以s p r 传感系统在生物分子及其相互作用的检测等方面具有广阔的应用前 景。 1 3 3s p r 传感系统的主要参数 s p r 传感系统主要有以下几个主要参数：一 灵敏度r s p r 传感系统的灵敏度被定义为直接检测参数( 如共振波长或共振角) 的 变化量与待定参数( 如折射率、膜厚度、待测样液浓度等) 的变化量之比。实 验证明，检测共振波长的s p r 传感系统的灵敏度随波长增加而增加，而检测共 振角的s p r 传感系统的灵敏度随波长降低而增加【9 】。棱镜耦合方式的s p r 传感 系统灵敏度高于光栅耦合方式姗。 分辨率 s p r 传感系统的分辨率是传感系统能分辨的待定参数( 如折射率等) 的最 小变化量。它与检测精度有关，并受噪声( 来自于温度、光源、光电检测器等) 的限制【l l 】。 检测范围 s p r 传感系统的另一个重要参数是检测范围，定义为传感系统可检测的待定 参数的取值范围，如可检测的敏感膜的折射率，或者待测样液浓度的变化范围 4 第一章绪论 世 o 除了这三种主要参数，衡量s p r 传感系统性能的参数还有选择性、响应时 间以及稳定性等。传感器的这些性能都是由系统的各个组成部分决定的，如灵 敏度、稳定性、分辨率依赖于光学系统、敏感膜及检测系统的性能，选择性和 响应时间主要由敏感膜决定，检测范围则主要由棱镜的折射率决定。 1 3 4s p r 传感系统系统发展现状 在过去的十几年里，表面等离子体共振生物传感器技术( s p r ) 取得了巨大 的进步，涌现出了一些商品化的s p r 传感系统【12 1 。1 9 9 0 年瑞典b i a c o r ea b 发 布了第一款商业化s p r 生物传感器b 认c o r e 【1 3 】。目前b i a c o r e 传感器有几种类 型( b i a c o r e 3 0 0 0 ，b i a c o r e 2 0 0 0 ，b i a c o r e x ，b i a c o r e 10 0 0 ， b i a c o r e q u a n t t m ) 。b i a c o r e 系列仪器由液体处理系统、光学系统、传感器芯片 和微机组成。检测原理均为k r e t s c h m a n n 棱镜型。发光二极管发出波长为7 6 0n i l 的点光源，用线性阵列光二极管作为检测器，可检测不同入射角处的反射光强 度，角度分辨率为0 1 。 美国t e x a si n s t r u m e n t s 公司生产的s p r e e t a t m 的s p r 仪器采用k r e t s c h m a n n 型装置，如图1 2 所示。光源为近红外发光二极管，流通池刻在传感器芯片上， 整个系统通过压膜密封在环氧树脂板上，并在四周用黑板密封，防止杂散光进 入。它有两个电热调节器( 在传感器和流通池上) ，对温度波动引起的灵敏度 变化进行补偿，测量灵敏度为1 0 r i u ，最低噪音水平为3 0 1 0 6r i u 。 图1 2s p r e e t a t m 的s p r 传感器 第一章绪论 美国q u a n t e c h 公司基于检测的多通道诊断系统，耦合入射光的光学元件不 是棱镜，而是表面镀有一层金膜的衍射光栅，光栅同时作为传感器芯片。不同 波长的入射光进入不同的通道，从而实现质量控制和多通道诊断。 此外，其它公司也都开发出了各具特色的产品，德国b i o t u lb i oi n s t r u m e n t s g m b h 公司研制的k i n e t i ci n s t r u m e n tl ，美国e b is e n s o r s 公司的基于波长测量的 波导方式s p r 传感器，瑞士万通公司的e s p r 单通道电化学表面等离子共振仪， 等等。国内研究s p r 生物传感器的单位有中科院电子所、东南大学等。目前已 经研制出s p r 2 0 0 0 型表面等离子体谐振生化分析仪。 s p r 传感技术因其独特的技术优势，在最近的2 0 多年里得到了快速发展。 可以预见，在不久的将来，s p r 生物传感器必将成为生物医学检测领域中最为 重要的技术之一。国内研究人员已经对该项技术给予了足够的重视，并且进行 了深入的研究。由于s p r 传感系统具有非常广阔的应用前景，因此研制具有自 主知识产权的s p r 传感系统己迫在眉睫。 第四节本论文的主要内容 本课题属于国家自然科学基金项目，s p r 多通道生物传感系统的研究与实 现，为生物医疗检测提供更为先进和精确的信息采集分析手段是本课题的任务 和目标，本文主要介绍了有关这个系统硬件电路部分的分析与设计。 s p r 生物传感系统的硬件架构采用了双处理器结构：4 3 0 单片机用于控制步 进电机驱动和模拟视频信号的模数转换，以及蠕动泵的转动等；d s p 负责数字 信号处理算法。 本论文主要完成了以下工作： 1 ) 设计了s p r 生物传感器硬件解决方案； 2 ) 设计完成了信号采集电路，信号处理电路，电控平移台电路原理图以 及p c b 电路板： 3 ) 各部分电路板调试工作； 具体章节内容安排如下： 第2 章系统描述了s p r 生物传感器的硬件设计总体方案； 第3 章详细分析了光电二极管阵列传感芯片的结构、特点以及相关的驱动 电路的设计； 6 第一章绪论 第4 章详细分析了4 3 0 单片机芯片的基本特点和功能，重点介绍了a d 模 块，d a 模块，以及与p c 机通信模块； 第5 章详细分析了以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 为核心器件的信号处理电路设 计，以及d s p 芯片与4 3 0 单片机之间的h p i 通信方式； 第6 章对电控平移台驱动模块的设计进行了详细分析； 第7 章针对本系统电路的设计及硬件电路板的调试进行分析，并对可以进 一步改进的方面进行了展望。 7 第二章s p r 生物传感系统硬件设计 第二章s p r 生物传感系统硬件设计 s p r 生物传感系统所要实现的功能是，首先应用光电采集设备采样敏感生 物信号，再把这些信号进行相应的处理，将结果送到上位机进行分析。系统的 上位机指的是p c 机，负责数据分析、数据存储和数据库管理。上位机的大容量 硬盘，用来存储实时检测到的敏感信息。同时，通过运行上位机分析软件可实 时监测生物化学反应、定量分析等情况。 第一节传感器系统总体设计 如图2 1 所示：整个传感系统是由光路部分，信号采集与处理系统以及上位 机分析软件等部分组成。 p 2 帛 p l m f 1 1 卜 m s 3jih i 1 臻荤 i 藉 i 。人 、 、 ，+ + 、，+ f 4 0 , 小q 刀摇敏感腰光甚敏感腰光电二社 管线性阵列 、叶 运萝 入 坦坦1 8 8 - 、 电控平移台 册 光计篁机 甘 信号采集处理器 一 视频线输出信号 辍铲1n 孳薤纛铲一l 一l + v 堂皇= 极管 电压 锄 输出电压 - ! t ab 图3 1 单个像素等效电路及工作波形图 3 1 2 光电二极管阵列图像传感器的特点 号 ( 1 ) 光谱响应范围宽。光谱响应范围是2 0 0 一- - 1 1 0 0 n m ，可以满足紫外可见区 光谱测量的要求，而一般常用多通道检测器件( 如s o n yi l x 5 1 1 ) 的光谱响应范围 是3 8 0 - 1 l o o n m 。$ 3 9 0 3 1 0 2 4 q 的光谱响应曲线如图3 2 所示 1 8 】。 从图3 2 光谱响应曲线可以看出，在紫外区的光谱响应相对强度依然较高， 可以达到2 0 左右。这主要是由于该器件在制作时光电二极管的表面镀有一层 荧光剂并封装在器件内部，荧光剂在紫外光激发下产生的光波长范围在可见光 区，可以被光电二极管接收，从而间接完成紫外光的测量。目前有些研究人员 采用在其他多通道检测器接收元件表面镀荧光剂的方法将光谱响应范围扩展到 2 0 0 n m 左右的紫外区，这种做法虽然可以节省成本，但却存在量子效率低下、 技术工艺复杂等缺点。 第三章光电传感芯片驱动模块设计 、 砖 、 - ， 笔 整 琢 累 t n = 2 5 ：) f 令 l 乙 i 心 l ； i v f 掰 k k 波长( r l l n ) 图3 2 光电二极管阵列图像传感器的光谱响应曲线 ( 2 ) 光敏面积大。$ 3 9 0 3 1 0 2 4 q 的像元高度可以达到0 5 m m ，宽度为2 5 l am ， 光敏接收面积比其他类型的器件大很多倍，适合于做微弱光信号的检测，从而 能够更加有效地利用光能。 ( 3 ) 暗电流小，动态范围宽。光电二极管阵列多通道检测器件的暗电流噪声 极低，基本不随温度变化而变化，在4 0 - - 6 5 范围内可以正常使用，不需要致 冷。动态范围一般在1 0 0 0 0 0 0 ：1 以上，适合做微弱信号检测。 ( 4 ) 功耗低。最大功耗仅为1 m w ，还可以适合应用在电池供电系统中 1 9 】。 3 1 3n m o s 图像传感器等效电路 此光电二极管阵列使用光敏二极管作为图像传感器的光敏原，采用寻址方 式读出信号，它内部有按顺序紧密排列的m o s 电容器，能够存储由入射光在其 象素单元激发的光信号电荷，然后再转移到其内部移位寄存器，从而在适当时 序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫 描，完成从光信号到电信号的转换。 图3 3 是电流输出型n m o s 图像传感器的等效电路图。 1 4 第三章光电传感芯片驱动模块设计 图3 3 电流输出型n m o s 图像传感器等效电路图 h a m a m a t s u 图像传感器的结构主要分为以下五个部分： ( a ) 光敏区：光敏区由在p 型硅衬底上扩散n 型层形成的光敏二极管列阵构 成。光敏元把光信号转变成电信号，并把获得的信号电荷实时存贮起来。 ( b ) 移位寄存器：n 位m o s 动态移位寄存器，作扫描电路用。移位寄存器 每位的输出与对应的m o s 开关的栅极相连。给移位寄存器加上互补的时钟脉冲 1 和2 ，用一个周期性的起始脉冲s 引导每次扫描的开始，移位寄存器就产 生依次延迟一拍的采样脉冲，使多路开关按顺序依次闭合、断开，从而把1 - 一n 位二极管上的光电信号从信号线上输出，这就是所谓的“自扫描”功能。当最 后一个光敏元信号读出后，立即输出一个扫描结束脉冲( e o s ) 。 ( c ) 哑光敏二极管：这是一些与光敏元完全一样的光敏二极管，用铝膜盖住， 使其与光屏蔽。它产生一种尖峰噪声，用于电流一电压转换读出时抵消开关噪 声。 ( d ) 读出开关：读出开关区由n 沟道m o s 晶体管构成的寻址开关列阵组成。 当移位寄存器送出一个寻址脉冲，相应有两个寻址开关同时接通，在视频线上 输出包括尖峰噪声的输出信号，而“哑”视频线输出尖峰噪声。当光电二极管 阵列工作在电流一电压变换模式时，通过两个信号相减，可获得较低的噪声特 性。 ( e ) 抗晕光开关：它是由n 沟道m o s 晶体管构成的一个开关阵列。当落在 光敏二极管的曝光量超过饱和曝光量时，由于光敏二极管不能存贮超过饱和电 一 一一 一 一一 一 一 一 僻 帱 耕 盼 册 锋 蝴 一 一 慨 0 1 、0 2 引脚：这两个引脚控制电荷信号从内部移位寄存器输出。0 1 、0 2 共同驱动移位寄存器上的数据逐位输出，两个脉冲彼此不相关系，但不能同时 为高电平。在每个2 的上升沿后$ 3 9 0 3 1 0 2 4 q 输出一路电荷，在1 0 2 4 个脉冲 作用后一帧图像信号全部输出。 v s c g ：芯片内部饱和控制门栅极电压( s a t u r a t i o n c o n t r o lg a t e v o l t a g e ) ，当入 射光强度很大时，v s c g 需要一个正向偏置电压，它可以增加饱和电荷的数量， 且偏压越大，芯片的抗饱和能力越强。通常情况是通过对积分时间的设定来实 现抗饱和设计的，因此v s c g 一般接地。 v s c d ：芯片内部饱和控制门漏极电压( s a t u r a t i o nc o n t r o ld r a i nv o l t a g e ) 。这 个引脚为传感芯片内部的抗饱和控制门提供漏极偏置电压，它与外部驱动脉冲 1 6 第三章光电传感芯片驱动模块设计 的幅度有关。外部驱动脉冲幅度越大，v s c d 应该越大，这样才能增加芯片的饱 和电荷。若外部脉冲电压很高，而v s c d 很低，这样会使输出信号的上升和下降 沿变陡峭，不利于采集，通常v s c d = v b 。 a c t i v ev i d e o ：这个引脚输出的是受光光电二极管阵列动态视频信号，每一 个0 2 的上升沿后a c t i v ev i d e o 引脚输出一路电荷信号，并且以反向电荷方式输 出。因此，为了便于处理，在后续的电路中本设计采用了反向积分电路，反向 电荷经过积分电路后变为正向电压信号。 d u m m yv i d e o ：这个引脚输出的是背光光电二极管阵列的电荷信号，这部分 电荷主要是由环境噪声造成的，在要求非常严格的采集条件下，这个引脚可以 与a c t i v ev i d e o 共同作用来消除环境噪声对视频信号的干扰，但这样应用会使硬 件系统变得复杂，在电流一电压转换型读出电路中此引脚发挥作用。通常情况 下，对于电荷输出型n m o s 线性图像传感器常采用电荷积分型读出电路，因此 这个引脚悬空不接，而视频信号的噪声通过滤波放大电路来消除噪声的干扰。 e n do fs c a n ：当一帧视频信号全部输出，即1 0 2 4 个0 2 脉冲过后，在最后 一个0 2 脉冲的上升沿该引脚会输出低电平。通常，这个低电平信号用于信号接 收电路检测一帧图像是否全部输出。此引脚需要一个1 0 艘的上拉电阻接至5 v 。 第二节传感器输出电路驱动设计， 3 2 1n m o s 线性传感器分类 根据输出级结构的不同，n m o s 线性图像传感器又划分为电流输出型 ( c u r r e n to u t p u tt y p e ) 和电压输出型( v o l t a g eo u t p u tt y p e ) 两种。 图3 5 ( a ) 为使用运算放大器的电流一电压变换等效电路图，这种方法的优点 是可以高速读出，读出电路简单，但是由于输出是一个微分脉冲信号，且微分 输出波形的峰值是作为输出信号读出的，给后续的信号处理带来困难。 图3 5 佃) 是一个使用电荷放大器的电流积分读出等效电路图。电流输出型在 外部电荷读出电路作用下输出的电荷具有很好的线性，这种线性度远远超过电 压输出型。因此本系统采用的是电流输出型n m o s 光电二极管阵列 $ 3 9 0 3 。1 0 2 4 q 。下面详细说明一下电流输出型n m o s 光电二极管阵列的工作原 理。 第三章光电传感芯片驱动模块设计 a 图3 5 电压输出型等效电路图( a ) 和电流输出型等效电路图( b ) 电流输出型是把光电二极管输出的电荷通过外部积分电路转换成电压信 号，它的输出信号线性度很好，适用于高精度小信号的场合。其积分运放电路 为图3 5 m ) 所示，反馈电容c f 上累积的电荷要在2 脉冲上升沿到来之前泻放掉， m o s 开关或者模拟开关即为反馈电容c f 的复位开关。每次一个像素被读出后， m o s 开关复位c f ，把c f 上的电荷泻放掉，初始化下一个像素的采集。为了确 保输出信号的稳定性，复位信号( r e s e t ) 的上升沿应该比2 时钟脉冲的下降沿 延时至少5 0 n s 。 在2 脉冲的下降沿，光电二极管结电容积累的电荷通过转移控制栅输出， 接着光电二极管被初始化，与此同时，c f 开始对输出的电荷进行积分，通过反 向积分电路之后，输出正向电压信号，输出v o u t 与积分电荷数量q 有关 2 0 】： v o u t = - q c f( 3 1 ) 经过积分电路后的输出波形见图3 6 ，可以看出信号波形已经变得非常平缓， 这种波形很利于进行信号采集、处理。由于输出电压波形响应取决于反馈电容 c f 的电荷泻放时间，因此电路的最大读出速率为1 0 0 k h z 左右。 a c t i r e h 如。弋r t _ 磐贫辱厂 厂1 厂 的输出一一一一 图3 6 电荷积分型输出波形 本系统采集的信号为缓慢变化的小信号，因此采用第二种方式积分输出电 第三章光电传感芯片驱动模块设计 荷是最理想的。$ 3 9 0 3 - 1 0 2 4 q 的饱和输出电荷q s a t 为5 p c ，取c f 值为1 0 p f ，并 设置积分运放的正向输入端偏置电压为2 v 。因此积分环节转换的饱和电压为： v o u t = q c f = 5 p c 1 0 p f = o 5 v( 3 2 ) 3 2 2 光电二极管阵列驱动设计 由上一节所介绍的$ 3 9 0 3 的引脚功能可知，光电二极管阵列的正常工作是 需要在一定的时序条件下驱动才行的，而本系统设计的工作时序是由c p l d 芯 片来提供的，同时该芯片也提供了驱动放大电路所需要的一些时序，由于$ 3 9 0 3 输出的是电荷信号，需要经过电流积分，放大，滤波等一系列操作才能得到可 测量的信号，因此以上功能处理都需要电路驱动来实现，图3 7 就是光电二极管 阵列的驱动设计原理图。 图3 7 光电二极管阵列驱动设计原理图 由上图可以看到，光电二极管阵列驱动包括两个部分：时序信号产生器和 驱动与信号放大处理部分。 时序信号产生器：该部分是由一个c p l d 来实现其功能的，在系统中， 1 9 第三