基于FPGA的面陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

0 引言
    CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件。近30年來，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得飛速進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展尤為迅速，它具有噪聲低、光譜響應(yīng)寬、精度和靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。CCD成像系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路和圖像處理電路組成。
    本文主要介紹CCD傳感器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生電路、電源變換電路和驅(qū)動(dòng)器電路。其中，驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生電路向CCD傳感器提供正常工作所需要的各種時(shí)序脈沖；電源變換電路向CCD提供正常工作時(shí)所需的各種直流偏置電壓；驅(qū)動(dòng)器電路用來提高驅(qū)動(dòng)時(shí)序的驅(qū)動(dòng)能力。

l CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路的要求及實(shí)現(xiàn)
1．1 CCD圖像傳感器TH7888A
    CCD圖像傳感器采用ATMEL公司的TH7888A。它是一種高性能的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD器件，提供單路和雙路兩種輸出方式，輸出數(shù)據(jù)速率可達(dá)40 MHz，每秒30幀圖像。TH7888A具有較低的暗電流及像元讀出噪聲，可用電子快門來調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，性能優(yōu)異。TH7888A由感光區(qū)，存儲(chǔ)區(qū)和水平移位寄存器構(gòu)成，有效像元數(shù)為1 024×1 024個(gè)。
    CCD的一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)階段：光積分階段和電荷轉(zhuǎn)移階段。光積分階段進(jìn)行感光陣列的電荷積累，存儲(chǔ)區(qū)到轉(zhuǎn)移寄存器的電荷轉(zhuǎn)移(行逆程)以及轉(zhuǎn)移寄存器向輸出放大器的電荷輸出(行正程)；轉(zhuǎn)移階段主要進(jìn)行幀轉(zhuǎn)移，即將感光區(qū)的光積分電荷轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)。要完成如上功能就要給CCD提供嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)時(shí)序時(shí)鐘。TH7888A的各驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系如圖1所示。

    圖1中，φPA為幀時(shí)鐘，高電平時(shí)為光積分階段，低電平時(shí)為電荷轉(zhuǎn)移階段。φP1～φP4為幀轉(zhuǎn)移脈沖，在光積分階段時(shí)不變，在電荷轉(zhuǎn)移階段時(shí)同行轉(zhuǎn)移控制信號(hào)φM1～φM4一起完成整幀的轉(zhuǎn)移。在光積分階段，行逆程狀態(tài)時(shí)，幀存儲(chǔ)區(qū)各行的信號(hào)電荷在行轉(zhuǎn)移信號(hào)φM1，φM4控制下向水平移位寄存器方向平移一行，讀出寄存器時(shí)鐘φL1，φL2不變；行正程狀態(tài)時(shí)，水平移位寄存器中的像元電荷在讀出寄存器時(shí)鐘φL1，φL2的控制下逐次經(jīng)過輸出放大器輸出。每讀出一行信號(hào)，進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移。一幀圖像傳完后，再進(jìn)行下一幀圖像的幀轉(zhuǎn)移。
1．2 基于FPGA的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的實(shí)現(xiàn)
    可編程邏輯器件FPGA具有集成度高、速度快、可靠性好及硬件可編程的特點(diǎn)，開發(fā)靈活、易于維護(hù)、非常適合CCD驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)選用的是Xilinx公司Spartan3系列的XC3S50，在分析CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用硬件編程語(yǔ)言VHDL編寫，開發(fā)軟件為ISE 10．1。
    程序輸入為40 MHz主時(shí)鐘CLK，由外部晶振提供，輸出為十三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。設(shè)計(jì)采用單路輸出的方式，輸出數(shù)據(jù)速率選為10 MHz。使用全部1 024×1 024個(gè)有效像元，在水平方向上，有效像元加上隔離元、黑參考元等共1 056個(gè)像元。在垂直方向上有效像元加上啞像元、黑參考元等共1 056行。進(jìn)行適量冗余設(shè)計(jì)，再考慮幀轉(zhuǎn)移和行轉(zhuǎn)移所占用的時(shí)間，幀頻為每秒8幀。復(fù)位時(shí)鐘OR由主時(shí)鐘四分頻得到。由于CCD各驅(qū)動(dòng)信號(hào)間要嚴(yán)格地滿足時(shí)序關(guān)系，且波形比較復(fù)雜，程序采用多進(jìn)程，多計(jì)數(shù)器循環(huán)嵌套的方式實(shí)現(xiàn)。幀時(shí)鐘φA為最外部循環(huán)，在光積分階段，由行逆程和行正程組成第一部分內(nèi)循環(huán)，由主時(shí)鐘分頻、計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)完成，同時(shí)產(chǎn)生行脈沖信號(hào)，對(duì)行脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生幀周期；在電荷轉(zhuǎn)移階段幀轉(zhuǎn)移脈沖φP1～φP4(行轉(zhuǎn)移控制信號(hào)φM1～φM4)組成第二部分內(nèi)循環(huán)，信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系由主時(shí)鐘分頻、移位實(shí)現(xiàn)。
    在設(shè)計(jì)上，需要注意以下兩點(diǎn)：
    (1)幀轉(zhuǎn)移脈沖φP1～φP4的占空比為5：3，因此先用一個(gè)八進(jìn)制的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)出占空比為5：3的脈沖，再由幀時(shí)鐘φA的控制及移位操作來實(shí)現(xiàn)其嚴(yán)格的時(shí)序。
    (2)對(duì)于φA和φP1～φP4，手冊(cè)上對(duì)其波形的邊沿變化時(shí)間有限制，對(duì)于時(shí)間上限，由于信號(hào)從FPGA輸出之后是通過驅(qū)動(dòng)器EL7212驅(qū)動(dòng)后送入CCD的，而EL7212輸出波形的上升及下降時(shí)間的最大值已滿足此上限要求；對(duì)于時(shí)間下限，可在CCD管腳附近增加電容和電阻調(diào)節(jié)波形邊沿的陡峭度來滿足要求。
1．3 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真
    設(shè)計(jì)采用ISE 10．1自帶的仿真工具對(duì)時(shí)序進(jìn)行仿真，并對(duì)Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50進(jìn)行配置下載，通過功能仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真結(jié)果如圖2，圖3所示。

    由圖可見，設(shè)計(jì)完成了CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求。

2 電源變換電路
    CCD電路的工作電壓取自二次電源。電路所需電壓種類繁多，如CCD傳感器需要+15 V電源和多種偏置電壓，CCD驅(qū)動(dòng)器需要+12 V，+9 V，+8 V，+4 V電源，F(xiàn)PGA正常工作需要的3．3 V，2．5 V，1．2 V等。為了減少二次電源的種類，并考慮到與其他部件電源的共用性，相機(jī)系統(tǒng)采用兩種二次電源模塊：+15 V，+5 V。上述各種電壓均由這兩種電源變換而得。為保證FPGA芯片工作的穩(wěn)定，其電壓由Xilinx公司專用的電源轉(zhuǎn)換芯片提供。其他各種偏置電壓的電源轉(zhuǎn)換核心器件是LMll7。LMll7是正三端可調(diào)穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器具有良好的穩(wěn)壓性能，還具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和溫度保護(hù)功能。

    LMll7的輸出電壓范圍為1．2～37 V，H封裝負(fù)載電流最大為O．5 A，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。通常LMll7輸入端不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LMll7輸入端的連線超過15 cm。圖4為實(shí)現(xiàn)直流偏壓+12 V的原理圖。圖中，2、3腳之間為1．25 V電壓基準(zhǔn)，改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。輸出電壓為：
   
式中：I為流經(jīng)R1，R2的電流，在這里，LMll7的ADJ控制端消耗的電流非常少，可忽略不計(jì)，因此，。此處，R1和R2的阻值并不能隨意設(shè)定，先，由電壓變化范圍1．25～37 V可知R2／R1的比值范圍是0～28．6；其次，LMll7有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，一般為1．5 mA，如果低于此值，可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大的現(xiàn)象。因此，通過設(shè)定R1和R2阻值的大小，保證V0／(R1+R2)≥1．5 mA，就能使LMll7在空載時(shí)穩(wěn)定地工作。設(shè)計(jì)選擇R1阻值為240 Ω，R2即可算出。R2選用電位器，便于調(diào)試；二極管D1，D2用于保護(hù)LMll7；輸出電容C1能改變瞬態(tài)響應(yīng)；調(diào)整端使用濾波電容C2能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的紋波抑制比。

3 CCD驅(qū)動(dòng)器
    CCD驅(qū)動(dòng)部分的作用是把CCD時(shí)序產(chǎn)生單元輸出的各種轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)波形電壓及電流以及時(shí)序的要求。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的好壞會(huì)對(duì)CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生較大的影響，從而影響成像的質(zhì)量。設(shè)計(jì)中使CCD正常工作需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和復(fù)位信號(hào)共13種，這些信號(hào)的電壓共有4種，不同的電壓由上述電源轉(zhuǎn)換器LMll7轉(zhuǎn)換輸出，再進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器芯片對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和復(fù)位信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于CCD為容性負(fù)載，在較大電壓擺幅的情況下需要在快速的變化沿時(shí)能夠提供足夠大的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，因此要選擇工作電流足夠大的器件以滿足要求。芯片選用的是Intersil公司的EL7212，和常用的ICL7667，DS0026相比，EL7212在速率、驅(qū)動(dòng)能力、反應(yīng)時(shí)間、抑噪等各方面表現(xiàn)更為優(yōu)秀，其上升沿和下降沿變化得更快，容性負(fù)載為1 000 pF時(shí)的典型值為10／13 ns，更適合用于高速相機(jī)。EL7212為單電源工作方式，其應(yīng)用電路如圖5所示。圖5中，電阻R1用于減小內(nèi)部功耗，電阻R2和電容用于防止過沖，電容盡量靠近管腳。

4 結(jié)語(yǔ)
    在分析面陣CCD傳感器TH7888A的工作原理和驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求的基礎(chǔ)上，采用可編程邏輯器件FPGA和硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)出合理的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序，并選用高性能的電壓轉(zhuǎn)換芯片和驅(qū)動(dòng)器保證CCD的正常穩(wěn)定工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的CCD驅(qū)動(dòng)電路較好地滿足了CCD的工作要求。