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像增强器作为ICCD相机的高速快门在时间分辨图像诊断系统中有重要作用,其开门时刻和开门宽度的精度对诊断结果有较大影响,因此,实现对像增强器快门的精确控制具有重要意义。同时,实验中往往需要对像增强器的增益及快门进行反复调节。传统调节增益通过电位器手动调节;调节快门的延时和宽度通常使用电缆调节,但较长延时不易获得;有时也使用信号发生器调节,但在多台相机同时工作时,通道数又有所限制,同时成本较高。基于上述原因,本文研制了像增强器程控电子学系统。具有成本低、指标高、使用方便的特点。
像增强器程控电子学系统可实现对像增强器增益及快门的计算机远程控制。文中首先对像增强器的程控电子学系统进行了总体介绍。然后对增益控制、快门控制、远程通信的实施方案进行了详细介绍。在增益控制部分,首先介绍了第二代像增强器结构及其对驱动电路的需求,继而介绍了为其供电的小功率直流型高压电源模块的设计方法,最终通过使用FPGA控制数字电位器MCP42010实现了对像增强器增益的数字控制,共有控制档位256档。在快门的控制部分,分析了实现快门程控功能的本质就是建立数字延时器。针对外触发信号与时钟信号的同步问题,对三种实现数字延时器的方法进行了详细介绍,包括它激振荡器方式、FPGA与专业数字延时芯片AD9501配合使用方式和基于单片FPGA方式。详细说明了如何在FPGA内部建立它激振荡器和高精度的TDC功能、如何实现FPGA与专业数字延时芯片的精密配合和如何在FPGA内部建立高分辨的可编程延时线。最终,所建立的数字延时器具有动态范围4.3ms,分辨65ps的指标。可满足对像增强器快门的精确程控要求。在数字延时器的测试部分,介绍了三个表征数字延时器优劣的指标,精确度(Precision)、准确度(Accuracy)和漂移(Drift)。远程通信部分介绍了基于RS-485的通信方式和基于USB光纤的通信方式,同时介绍了光纤通信中所用到的8B/10B编解码模块。
本文的主要研究成果及创新之处如下:
(1)建立了像增强器的程控电子学系统,可实现对像增强器的远程精密控制。
(2)建立了基于FPGA和AD9501芯片的大动态高分辨数字延时器,掌握了其中的关键技术。主要包括基于进位链的TDC实现方法、全数字时间晃动弥补方法、FPGA内部计数器和专业数字延时芯片的配合使用方法。
(3)首次建立了基于FPGA内部进位链的高分辨可编程延时线,并在单片FPGA芯片上实现了大动态高分辨的数字延时功能。