線陣CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

摘要：隨著CCD性能的不斷提高，CCD技術(shù)在軍、民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。介紹了TCDl501C線陣CCD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了用VHDL完成的CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)和視頻輸出差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：線陣CCD；圖像傳感器；儀器儀表放大器；差分驅(qū)動(dòng) 

1 引言
    電荷耦合器件(CCD，Charge Couple Device)是20世紀(jì)60年代末期出現(xiàn)的新型半導(dǎo)體器件。目前隨著CCD器件性能不斷提高，在圖像傳感、尺寸測(cè)量及定位測(cè)控等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，CCD應(yīng)用的前端驅(qū)動(dòng)電路成本價(jià)格昂貴，而且性能指標(biāo)受到生產(chǎn)廠家技術(shù)和工藝水平的制約，給用戶帶來(lái)很大的不便。CCD驅(qū)動(dòng)器有兩種：一種是在脈沖作用下CCD器件輸出模擬信號(hào)，經(jīng)后端增益調(diào)整電路進(jìn)行電壓或功率放大再送給用戶；另一種是在此基礎(chǔ)上還包含將其模擬量按一定的輸出格式進(jìn)行數(shù)字化的部分，然后將數(shù)字信息傳輸給用戶，通常的線陣CCD攝像機(jī)就指后者，外加機(jī)械掃描裝置即可成像。所以根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)指標(biāo)要求，選擇不同型號(hào)的線陣CCD器件，設(shè)計(jì)方便靈活的驅(qū)動(dòng)電路與之匹配是CCD應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    本文以TCDl501C型CCD圖像傳感器為例，介紹了其性能參數(shù)及外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)時(shí)序參數(shù)可以通過(guò)VHDL程序靈活設(shè)置，該電路已成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于某型非接觸式位置測(cè)量產(chǎn)品中。

2 CCD工作原理
    CCD是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)，其基本功能是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時(shí)，CCD首先完成光電轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生與入射光輻射量成線性關(guān)系的光電荷。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)?；谏鲜鰧⒁痪S光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑恚€陣CCD可以實(shí)現(xiàn)圖像傳感和尺寸測(cè)量的功能。圖1為CCD光譜響應(yīng)曲線。

3 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)
    線陣CCD TCDl501C的主要技術(shù)指標(biāo)如下：像敏單元數(shù)為5 000；像元尺寸為7 μmx7μ；像元中心距為7μm；像元總長(zhǎng)為35 mm；光譜響應(yīng)范圍為400 nm～1000 nm，光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為550 nm，靈敏度為10.4 V/lx.s~15.6 V/lx.s。使CCD芯片正常工作的驅(qū)動(dòng)電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時(shí)序脈沖，二是對(duì)CCD輸出的原始模擬信號(hào)進(jìn)行處理，包括增益放大、差分信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動(dòng)器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

3.1 基于VHDL的驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)
    本部分設(shè)計(jì)是基于Xilinx公司的CPLD-XC9572-PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。CCD器件需要復(fù)雜的三相或四相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖，多數(shù)面陣CCD都是三相或四相驅(qū)動(dòng)，多數(shù)線陣CCD都是二相驅(qū)動(dòng)。本文以二相線陣CCD圖像傳感器TCDl501C為例，實(shí)現(xiàn)了用CPLD完成的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。CCD為容性負(fù)載，工作頻率高時(shí)有一定的功耗，因此需要對(duì)CPLD輸出的復(fù)位脈沖RS、移位脈沖(又稱光積分脈沖)SH、箝位脈沖CP、采保脈沖SP，以及二相時(shí)鐘脈沖φ1E、φ2E等各路驅(qū)動(dòng)脈沖采用74HCl4進(jìn)行整形和驅(qū)動(dòng)能力的放大，然后再送至TCDl501C器件的相應(yīng)輸入端，在CCD的模擬信號(hào)輸出端將得到信號(hào)OS和補(bǔ)償信號(hào)DOS。TCDl501C典型的最佳工作頻率是lMHz，該器件具有5 000個(gè)有效像元輸出。TCDl501C正常工作時(shí)要有76個(gè)啞像元輸出，一個(gè)掃描行周期內(nèi)至少應(yīng)包含有5 076個(gè)時(shí)鐘脈沖，即TSH>5 076xφ1E 0.1μs，在本設(shè)計(jì)中TSH=5200xφ1E。由此可見(jiàn)，改變時(shí)鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù)，可以改變光積分周期，通常φ1E的頻率設(shè)置為可調(diào)節(jié)的，這樣可以根據(jù)CCD器件的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境靈活運(yùn)用CCD器件的優(yōu)點(diǎn)以改變光積分時(shí)間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉(zhuǎn)移損失率，CCD驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率應(yīng)盡可能小。驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率降低時(shí)，可以在示波器上觀察到CCD輸出信號(hào)幅值明顯增強(qiáng)。圖2所示為CCD工作波形。

    下面是產(chǎn)生時(shí)序脈沖的VHDL程序：

3.2 基于AD623的CCD輸出信號(hào)差分驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，經(jīng)移位寄存器順序輸出視頻信號(hào)，復(fù)位脈沖RS每復(fù)位一次，CCD輸出一個(gè)光脈沖信號(hào)。由于TCDl501C信號(hào)檢測(cè)采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)，使其視頻輸出信號(hào)中疊加了一些由周期性復(fù)位信號(hào)RS引起的串?dāng)_信號(hào)，而且有效信號(hào)幅值較小，約為500 mV，直流電壓約有4.1V，這是一組典型的共模電壓較高、有效差模信號(hào)較低的差分信號(hào)，信號(hào)波形如圖3和圖4所示，所以模擬信號(hào)輸出在進(jìn)行后續(xù)處理(包括長(zhǎng)線傳輸、A/D轉(zhuǎn)換等)之前要進(jìn)行一系列預(yù)處理，消除視頻信號(hào)中的復(fù)位脈沖串?dāng)_及其他干擾，將微弱的視頻信號(hào)進(jìn)行幅值放大及驅(qū)動(dòng)能力的放大。由于是對(duì)差分信號(hào)的處理，所以先討論一下差分電路的基本概念。圖5為差分信號(hào)測(cè)量電路里差模和共模電壓示意圖，VDIFF是信號(hào)差模電壓，VCM是信號(hào)共模電壓，信號(hào)輸出VOUT=R2/R1·VDIFF=G·VDIFF。理想狀態(tài)下，一般差模增益G≥l，而共模增益(％mismatch/100)xG/(G+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是電阻不匹配的函數(shù)，在實(shí)際測(cè)量電路中可能會(huì)由于電阻值的微小不匹配而導(dǎo)致兩個(gè)輸入端的共模電壓不一致，而使電路的直流共模增益不為零。共模抑制比(CMRR)就是差模增益G與共模增益的比值，用對(duì)數(shù)形式表示：20lg [(100/％mismatch)×(C+1)]。實(shí)際工程應(yīng)用中，電路工作在一個(gè)很大的噪聲源中，如50 Hz交流電源線的噪聲、設(shè)備的開(kāi)關(guān)噪聲、無(wú)線信號(hào)的傳輸噪聲，這些干擾信號(hào)作用在差分輸入端，將會(huì)在輸出端產(chǎn)生一個(gè)共模信號(hào)，因此差分信號(hào)處理除了要求有高的DC CMRR，還要有高的AC CMRR。

    在電路設(shè)計(jì)中選用了ADI公司的儀器儀表放大器AD623，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

    AD623集成了3路運(yùn)放，可單電源或雙電源工作，具有較高的CMRR和極低的電壓漂移，除了一個(gè)控制可編程增益的外接電阻外，所有元件都集成在內(nèi)部，提高了電路溫度穩(wěn)定度和可靠性。應(yīng)用AD623的CCD模擬信號(hào)處理電路如圖7，將視頻信號(hào)及其補(bǔ)償輸出分別送至AD623的反相和同相輸入端，在AD623的輸出端接一級(jí)射極跟隨器以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。選用該器件可消除采用普通運(yùn)放和外圍電阻所引起的輸出信號(hào)的溫度漂移。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于上述開(kāi)發(fā)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)器已調(diào)試成功，并且用于某位置測(cè)量系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)方案只要再拓展AD轉(zhuǎn)換部分就可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)的前端。