基于電子快門自動增益的CCD驅(qū)動電路研究

     摘 要：為了滿足目前CCD測量領(lǐng)域中高速、高精度的測量要求，設(shè)計(jì)了TCD1304傳感器的專用驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路的一大特性就是電子快門，其將光積分時(shí)間縮短了一個(gè)數(shù)量級，至幾個(gè)微秒，極大地提高了測量速度；同時(shí)，通過對CCD輸出信號A／D采樣分析，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電予快門時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制，提高了測量精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該測量方法在高速實(shí)時(shí)在線測量領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

　　0引言

　　CCD是以電荷包的形式存貯和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，目前市場上的CCD器件并未對其驅(qū)動信號、輸出信號做任何處理。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)CCD的型號、用途和應(yīng)用領(lǐng)域的不同而設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動電路，以及數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)。CCD 的光積分時(shí)間決定著CCD的曝光量，在不同的光照強(qiáng)度下，需要的實(shí)際光積分時(shí)間不同。光強(qiáng)較弱時(shí)需要較長的光積分時(shí)間，以使光敏單元吸收到足夠的光信息；相反，光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，光積分時(shí)間不能太長，否則CCD的輸出信號會飽和失真，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)要測量的信息。因此要得到精確的測量信號，就需要實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)光積分時(shí)間。

　　CCD傳感器必須在一定的驅(qū)動脈沖的作用下才可以完成信號電荷的轉(zhuǎn)移、輸出。在一定的驅(qū)動頻率內(nèi)，提高驅(qū)動信號的頻率則會加怏電荷包的移動，從而提高測量速度；反之，降低驅(qū)動信號的頻率則會降低測量速度。因此要提高測量速度就要提高驅(qū)動信號的頻率，而在某些場合需要將光積分時(shí)間提高到10us時(shí)，就需要將時(shí)鐘頻率提高到幾百兆，頻率太高又引出更難、更復(fù)雜的問題，而且這種方法下測量速度的提離空間也是有限的。

　　本文的主要任務(wù)就是解決上述的CCD目前在其應(yīng)用領(lǐng)域中存在的不足。

　　1 TCD1304的特性及驅(qū)動信號要求

　　TCD1304 是一款高靈敏度、低暗電流，具有3648個(gè)像元（46個(gè)啞元）的線陣圖像傳感器，可以用于終端的人工掃捕器。TCD1304的一大特性就是具有電子開關(guān)，而電子開關(guān)的主要功能是可以使CCD的輸出信號根據(jù)光照的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)的進(jìn)行調(diào)整。其各管腳的名稱及作用如表1所示。

表 1 TCD1304 管腳名稱及功能介紹

　　其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由光電二極管和電荷轉(zhuǎn)移電極組成的光敏單元、兩個(gè)CCD模擬移位寄存器、兩個(gè)轉(zhuǎn)移柵、輸出緩存機(jī)構(gòu)和驅(qū)動信號內(nèi)部邏輯電路五個(gè)部分組成。

　　各驅(qū)動脈沖的時(shí)序要求如圖1所示；OS 為CCD的輸出信號。

　　如圖1所示，幀轉(zhuǎn)移信號SH兩個(gè)連續(xù)下降沿之間的時(shí)間tINT即為光積分時(shí)間，在這段時(shí)間光敏單元開始將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將電荷包按奇偶順序轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器中。該時(shí)間的長短不再依賴于基礎(chǔ)時(shí)鐘信號ΦM，與傳統(tǒng)的其他型號的CCD有很大不同。只需要調(diào)節(jié)脈沖的占空比FF可實(shí)現(xiàn)對光積分時(shí)間的調(diào)整，可以很大程度地縮短tINT，同時(shí)不需要改變基礎(chǔ)時(shí)鐘的頻率，避免了高頻干擾。

　　在光積分時(shí)間范圍內(nèi)，伴隨著復(fù)位脈沖上升沿的到來CCD光敏單元開始產(chǎn)生反映光信息的電荷包。電荷包以奇偶順序被送到光敏單元兩旁的轉(zhuǎn)移柵中，在數(shù)據(jù)時(shí)鐘的驅(qū)動下經(jīng)過CCD內(nèi)部數(shù)據(jù)處理電路輸出OS信號。

圖1 TCD1304的驅(qū)動脈沖波形圖

　　2 驅(qū)動信號的硬件實(shí)現(xiàn)電路

　　驅(qū)動信號硬件電路的整體框圖如圖2所示：采用高穩(wěn)定性的有源晶振產(chǎn)生基礎(chǔ)脈沖信號CP，再通過計(jì)數(shù)分頻產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號，經(jīng)過J－K觸發(fā)器，分時(shí)選通，即可得到復(fù)位脈沖信號ICG，以ICG為觸發(fā)信號，觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器CD4538生成占空比可調(diào)的幀轉(zhuǎn)移信號SH。

　　因此，縮短光積分時(shí)間只要調(diào)節(jié)SH信號的占空比即可，不需要再提高基礎(chǔ)時(shí)鐘的頻率。
 

圖2 驅(qū)動電路整體框圖

　　圖3即為復(fù)位脈沖ICG、幀轉(zhuǎn)移信號SH的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明，此種原理調(diào)節(jié)光積分時(shí)間更加靈活方便，而且穩(wěn)定度好、精度高。

圖3 ICG，SH波形時(shí)序圖

　　3 數(shù)據(jù)采集及自動增益控制的實(shí)現(xiàn)

　　自動增益控制的實(shí)現(xiàn)主要是通過控制CCD的輸出信號使其保持在一定范圍內(nèi)，既不會因峰值過大而飽和失真，也不會困峰值太小而影響測量精度。這個(gè)范圍的確定可根據(jù)實(shí)際需要確定。峰值大于范圍上限時(shí)縮光積分時(shí)間，避免出現(xiàn)飽和失真的現(xiàn)象。反之，當(dāng)小于范圍下線時(shí)延長光積分時(shí)間，以使光敏單元得到足夠的曝光量。

　　CCD的輸出信號是模擬量，需要經(jīng)過一系列的處理，放大、倒相、峰值保持等，將得到的峰值信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)。單片機(jī)通過得到的數(shù)字量發(fā)出控制命令，調(diào)節(jié)單穩(wěn)觸發(fā)器的數(shù)字式電位計(jì)，改變SH信號的占空比，光積分時(shí)間也隨之改變，實(shí)現(xiàn)自動增益控制。

　　整體框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體框圖

　　A／D 轉(zhuǎn)換選擇的是8位逐位逼近式雙通逍A／D轉(zhuǎn)換器ADC0832，最高分辨率可達(dá)2ˉ8，可以適應(yīng)一般模擬量的轉(zhuǎn)換要求，且轉(zhuǎn)換速度怏、穩(wěn)定性能強(qiáng)。單片機(jī)選擇的是美國ATMAL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C2051。兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置能用8位中央處理器和FLASH存儲單元。可重擦寫。

　　自動增益控制流程圖如圖5所示。

　　自動控制制積分時(shí)間主要是通過調(diào)節(jié)SH信號的占空比，因此，以單穩(wěn)觸發(fā)器為核心的脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)部分選用了數(shù)字式電位計(jì)X9C103?？梢酝ㄟ^單片機(jī)發(fā)送指令改變阻值，從而改變脈沖發(fā)生器的輸出信號。經(jīng)過多次調(diào)試得出其有效阻值有一定的范圍，而且改變阻值過程中要加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，這兩點(diǎn)在編寫程序時(shí)需要考慮進(jìn)去。

圖5 自動增益控制流程圖

　　圖6所示的即是自動增益控制的調(diào)試結(jié)果。在調(diào)試過程中為了便于觀測信號，用黑色膠帶粘在CCD器件的感光面，只留中間一道縫隙，因此，CCD的輸出信號只在惑光位置有一較窄的脈沖， 如圖6所示。當(dāng)CCD輸出信號很弱時(shí)，光積分時(shí)間不斷的在增大，CCD的輸出信號也在不斷的增強(qiáng)。

圖6 自動增益控制調(diào)試圖

　　4.結(jié)語

　　本文主要介紹了一個(gè)帶電子快門的可實(shí)現(xiàn)自動增益控制的高速CCD驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試的結(jié)果在不改變時(shí)鐘頻率的基礎(chǔ)上將光積分時(shí)間縮短至幾個(gè)微秒，大大提高了測量速度。同時(shí)通過自動增益控制使CCD的輸出信號始終保持在閾值范圍之內(nèi)，從而保證了測量的精度。該測量方法在高速、高精度實(shí)時(shí)在線測量領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。