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CN112003617B - 一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置及方法 - Google Patents

一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置及方法 Download PDF

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CN112003617B CN202010886458.7A CN202010886458A CN112003617B CN 112003617 B CN112003617 B CN 112003617B CN 202010886458 A CN202010886458 A CN 202010886458A CN 112003617 B CN112003617 B CN 112003617B
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Abstract

本发明公开的红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置包括:衬底温度获取校正模块和具有衬底温度补偿的比较器模块;具有衬底温度补偿的比较器模块包括比较器和电流型DAC;衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度数据并基于衬底温度数据提取对应的相关校正参数;衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿;本方案基于比较器增设衬底温度获取校正模块,配合电流型DAC来实现比较器衬底温度的补偿,有效消除不同温度造成比较器翻转延迟不一致的问题,减小模数转换器的失调误差,提高装换装置的精度及信噪比,从而提高输出图像的均匀性。

Description

一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置及方法
技术领域
本发明涉及红外焦平面技术领域,具体涉及一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置及方法。
背景技术
非制冷红外焦平面探测器相对制冷型红外探测器,有无需制冷、体积小、操作简单、高性能和低价位等诸多优点,在军事、工业、医药、科研等领域有着广泛的应用。非制冷红外焦平面阵列系统正处于从多功能的模块向单片化集成方向发展的关键阶段,特别是模数转换器(ADC)的片上集成。焦平面技术的进步,其性能主要受制于信号通道中引入的串扰、电源噪声和一些其他机制的干扰,片上集成模数转换器的读出电路没有片外的模拟信号通路,具有更好的噪声性能;利用数字信号输出可提高输出信号的抗干扰能力,提高系统的响应速率,提高系统可靠性,有效的改善红外探测器组件的性能。
单斜ADC是最常用的列级ADC结构之一,由于非制冷红外焦平面探测器不具有制冷装置(TEC),探测器会随着环境温度的改变以及工作时会发热产生温度漂移现象,温度漂移现象会造成模数转换器出现非均匀性问题,从而影响ADC的精度及信噪比,导致探测质量下降,图像失真。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换器,其能够消除衬底温度的影响以提高其模数转换器的的精度和信噪比,从而提高输出图像的均匀性。
本发明通过下述技术方案实现:
本发明提供的一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置,包括:衬底温度获取校正模块和具有衬底温度补偿的比较器模块;
所述具有衬底温度补偿的比较器模块包括比较器和电流型DAC;
所述衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度数据并基于衬底温度数据提取对应的相关校正参数;
衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿。
本方案工作原理:单斜ADC是最常用的列级ADC结构之一,由于非制冷红外焦平面探测器不具有制冷装置(TEC),探测器会随着环境温度的改变以及工作时会发热产生温度漂移现象,温度漂移现象会造成模数转换器出现非均匀性问题,从而影响ADC的精度及信噪比,导致探测质量下降,图像失真;本方案基于普通的模数转换装置,对其中的比较器进行改进,增加了衬底温度获取校正模块,配合使用具有衬底温度补偿的比较器模块来完成衬底温度的电流补偿,通过衬底温度获取校正模块对红外焦平面先进行温度探测,基于衬底得到相关校正参数,电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿,有效消除由不同温度所导致的比较器翻转延迟不一致问题,消除衬底温度的影响以减小模数转换器的失调误差同时提高其信噪比,从而提高输出图像的均匀性。
进一步优化方案为,所述衬底温度获取校正模块包括:温度传感器电路、校正参数提取电路和数据传输电路。
进一步优化方案为,所述温度传感器电路在红外焦平面阵列的每一行像元的首列和尾列各安装一组。
进一步优化方案为,还包括:斜坡发生器、计数器和寄存器;所述斜坡发生器连接在比较器的反向输入端;寄存器的数据输入端连接在计数器的输出端,寄存器的输入使能端连接在比较器的输出端。
进一步优化方案为,所述电流型DAC包括:多种电流能力的电流镜、与电流镜一一对应的MOSFET开关;衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在MOSFET开关上。
具有衬底温度补偿的比较器模块包括比较器和电流型DAC,比较器包括同向输入端、反向输入端、电流型DAC控制尾电流连接端和输出端;
斜坡发生器用于产生与时间成正比的线性斜坡电压信号,斜坡发生器连接到比较器的反向输入端;
计数器用于产生计数信号;
寄存器包括输入使能端、数据输入端和数据寄存输出端;寄存器的输入使能端连接到比较器的输出端,寄存器的数据输入端连接到计数器的输出端;
衬底温度获取校正模块通过温度传感器电路获取的衬底温度信息,提取相关校正参数,在行列选等时钟信号控制下,通过数据传输电路将相关校正参数信号施加在比较器的电流型DAC的MOSFET开关的栅极,实现对比较器中电流型DAC的控制,达到衬底温度补偿的效果。
通过将所述斜坡发生器产生的与时间成正比的线性斜坡电压信号Vts与待转换电压信号Vin进行比较转换,当与时间成正比的线性斜坡电压信号Vts等于待转换电压信号Vin时,具有衬底温度电流补偿的比较器电路输出由高电平变为低电平,寄存器的使能端无效,计数器停止向所述寄存器传输数据,此时所述寄存器所寄存下的结果即为待转换电压信号Vin所对应的数字码,从而完成模数转换,实现了数字化输出。
本发明还提供一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换方法,包括以下步骤:
T1.衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度信息并提取的相关校正参数;
T2.衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,由电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿;
T3.待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号在具有衬底温度补偿的比较器中行比较转换后输出转换结果,寄存器寄存下转换结果;
T4.寄存器输出待转换电压信号的转换结果对应的数字码。
进一步地,T1具体步骤为:
T1.1衬底温度获取校正模块分别获取红外焦平面阵列各行首列像元的温度信息、尾列像元的温度信息;
T1.2将各行首列像元的温度值与尾列像元的温度值进行两点式拟合,得到各行的像元与衬底温度之间的关系式;
T1.3根据各行的像元与衬底温度之间的关系式获得所有像元的衬底温度;
T1.4基于像元的衬底温度计算并提取各像元对应的相关校正参数。
进一步地,在T3中,待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号相等时,具有衬底温度电流补偿的比较器输出由高电平变为低电平。
本方案工作原理:在红外焦平面阵列每一行像元的首尾各集成一个温度传感器电路,即温度传感器电路模块总数为2M(M为红外焦平面阵列的行数),分别获取各行首尾列像元的温度信息:T(sub)m1和T(sub)mn
将各行首列像元的温度值与尾列像元的温度值进行两点式拟合,得到该行的各列像元与衬底温度之间的关系式(1):
T(sub)m,n=km·n+bm (1)
Figure BDA0002655720640000031
Figure BDA0002655720640000032
式中m代表行变量,n代表列变量,km、bm为各行所对应的常系数。
获取了像元各行各列的衬底温度后,计算并提取校正参数(n bits DAC数据),考虑到输入端口的限制,DAC的校正数据采用串行输入的方式,经过串并转换电路模块实现nbtis数据由串行到并行的转换;将校正数据读入寄存器组中并存储后,在行列选时钟信号控制下,经数据传输电路施加在所述比较器的电流型DAC的MOSFET开关的栅极,实现对电流型DAC的控制,达到模数转换过程中所述比较器10关于衬底温度补偿逐点调节的效果。
电流型DAC由n bits MOSFET开关控制,电流型DAC所包含的电流镜的电流能力分别为Isub、2·Isub、22·Isub……2n-1·Isub;将数据传输电路所传输的第m行第n列所需的校正数据作用在MOSFET开关S1、S2……Sn,控制并选择总补偿电流的大小,即比较器尾电流源的大小。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
本发明提供的红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置及方法,通过在红外焦平面阵列每一行像元的首尾各集成一个温度传感器电路,分别获取各行首尾列像元的温度信息,将各行首尾列像元的温度值进行两点式拟合,得到该行的各列像元与衬底温度之间的关系式,提取衬底温度校正参数;然后调控比较器中电流型DAC,完成衬底温度的电流补偿,能有效消除由不同温度所导致的比较器翻转延迟不一致问题,消除衬底温度的影响以减小模数转换器的失调误差同时提高其信噪比,从而提高输出图像的均匀性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。
图1是红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置结构图;
图2是温度传感器电路的装配示意图;
图3是提取衬底温度校正数据流程图;
图4是具有衬底温度补偿的比较器模块结构示意图。
在附图中:
10-具有衬底温度补偿的比较器模块,101-电流型DAC,102-比较器,20-斜坡发生器,30-计数器,40-寄存器,50-衬底温度获取校正模块。
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,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置,包括:衬底温度获取校正模块50和具有衬底温度补偿的比较器模块10;
所述具有衬底温度补偿的比较器模块10包括比较器102和电流型DAC 101;
所述衬底温度获取校正模块50获取红外焦平面阵列的衬底温度数据并基于衬底温度数据提取对应的相关校正参数;
衬底温度获取校正模块50将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,电流型DAC101基于相关校正参数信号调控比较器102的尾电流进行衬底温度补偿。
本装置还包括:斜坡发生器20、计数器30和寄存器40;
斜坡发生器20连接在比较器102的反向输入端;寄存器40的数据输入端连接在计数器30的输出端,寄存器40的输入使能端连接在比较器的输出端。衬底温度获取校正模块50包括:温度传感器电路、校正参数提取电路和数据传输电路。
如图2所示,温度传感器电路在红外焦平面阵列的每一行像元的首列和尾列各安装一组。
如图4所示,电流型DAC包括:多种电流能力的电流镜、与电流镜一一对应的MOSFET开关;衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在MOSFET开关上。电流型DAC所包含的电流镜的电流能力分别为Isub、2·Isub、22·Isub……2n-1·Isub;将数据传输电路所传输的第m行第n列所需的校正数据作用在MOSFET开关S1、S2……Sn,控制并选择总补偿电流的大小,即比较器尾电流源的大小。
实施例2
本实施例提供一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换方法,包括以下步骤:
T1.衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度信息并提取的相关校正参数;
T2.衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,由电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿;
T3.待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号在具有衬底温度补偿的比较器中行比较转换后输出转换结果,寄存器寄存下转换结果;
T4.寄存器输出待转换电压信号的转换结果对应的数字码。
如图3所示,T1具体步骤为:
T1.1衬底温度获取校正模块分别获取红外焦平面阵列各行首列像元的温度信息T(sub)m1、尾列像元的温度信息T(sub)mn
T1.2将各行首列像元的温度值与尾列像元的温度值进行两点式拟合,得到各行的像元与衬底温度之间的关系式;
T(sub)m,n=km·n+bm (1)
Figure BDA0002655720640000061
Figure BDA0002655720640000062
式中m代表行变量,n代表列变量,km、bm为各行所对应的常系数。
T1.3根据各行的像元与衬底温度之间的关系式获得所有像元的衬底温度;
T1.4基于像元的衬底温度计算并提取各像元对应的相关校正参数。
在T3中,待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号相等时,具有衬底温度电流补偿的比较器输出由高电平变为低电平。
获取了像元各行各列的衬底温度后,计算并提取对应的校正参数(n bits DAC数据),考虑到输入端口的限制,DAC的校正数据采用串行输入的方式,经过串并转换电路模块实现n btis数据由串行到并行的转换;将校正参数数据读入寄存器组中并存储后,在行列选时钟信号控制下,经数据传输电路将校正参数信号施加在比较器10的电流型DAC的MOSFET开关的栅极,实现对n bits电流型DAC的控制,达到模数转换过程中所述比较器10关于衬底温度补偿逐点调节的效果。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置,其特征在于,包括:衬底温度获取校正模块和具有衬底温度补偿的比较器模块;
所述具有衬底温度补偿的比较器模块包括比较器和电流型DAC;
所述衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度数据并基于衬底温度数据提取对应的相关校正参数;
衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿;
还包括:斜坡发生器、计数器和寄存器;
所述斜坡发生器连接在比较器的反向输入端;
寄存器的数据输入端连接在计数器的输出端,寄存器的输入使能端连接在比较器的输出端;
所述电流型DAC包括:多种电流能力的电流镜、与电流镜一一对应的MOSFET开关;衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在MOSFET开关上。
2.根据权利要求1所述的一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置,其特征在于,所述衬底温度获取校正模块包括:温度传感器电路、校正参数提取电路和数据传输电路。
3.根据权利要求2所述的一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换装置,其特征在于,所述温度传感器电路在红外焦平面阵列的每一行像元的首列和尾列各安装一组。
4.一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换方法,其特征在于,包括以下步骤:
T1.衬底温度获取校正模块获取红外焦平面阵列的衬底温度信息并提取的相关校正参数;
T1具体步骤为:
T1.1衬底温度获取校正模块分别获取红外焦平面阵列各行首列像元的温度信息、尾列像元的温度信息;
T1.2将各行首列像元的温度值与尾列像元的温度值进行两点式拟合,得到各行的像元与衬底温度之间的关系式;
T1.3根据各行的像元与衬底温度之间的关系式获得所有像元的衬底温度;
T1.4基于像元的衬底温度计算并提取各像元对应的相关校正参数;
T2.衬底温度获取校正模块将相关校正参数信号施加在电流型DAC上,由电流型DAC基于相关校正参数信号调控比较器的尾电流进行衬底温度补偿;
T3.待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号在具有衬底温度补偿的比较器中行比较转换后输出转换结果,寄存器寄存下转换结果;
T4.寄存器输出待转换电压信号的转换结果对应的数字码。
5.根据权利要求4所述的一种红外焦平面的具有衬底温度补偿的模数转换方法,其特征在于,在T3中,待转换电压信号与斜坡发生器产生的线性斜坡电压信号相等时,具有衬底温度电流补偿的比较器输出由高电平变为低电平。
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