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，其將光積分時間縮短了一個數(shù)量級，至幾個微秒，極大地提高了測量速度；同時，通過對CCD輸出信號A／D采樣分析，實時調(diào)節(jié)電予快門時間，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制，提高了測量精度。經(jīng)實驗證明，該測量方法在高速實時在線測量領(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 的光積分時間決定著CCD的曝光量，在不同的光照強度下，需要的實際光積分時間不同。光強較弱時需要較長的光積分時間，以使光敏單元吸收到足夠的光信息；相反，光強很強時，光積分時間不能太長，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，就需要實時的調(diào)節(jié)光積分時間。

　　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間提高到10us時，就需要將時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個像元（46個啞元）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)光照的強弱實時的進行調(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CCD模擬移位寄存器、兩個轉(zhuǎn)移柵、輸出緩存機構(gòu)和驅(qū)動信號內(nèi)部邏輯電路五個部分組成。

　　各驅(qū)動脈沖的時序要求如圖1所示；OS 為CCD的輸出信號。

　　如圖1所示，幀轉(zhuǎn)移信號SH兩個連續(xù)下降沿之間的時間tINT即為光積分時間，在這段時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。該時間的長短不再依賴于基礎(chǔ)時鐘信號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可實現(xiàn)對光積分時間的調(diào)整，可以很大程度地縮短tINT，同時不需要改變基礎(chǔ)時鐘的頻率，避免了高頻干擾。

　　在光積分時間范圍內(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，再通過計數(shù)分頻產(chǎn)生兩個脈沖信號，經(jīng)過J－K觸發(fā)器，分時選通，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的實驗調(diào)試結(jié)果，實驗表明，此種原理調(diào)節(jié)光積分時間更加靈活方便，而且穩(wěn)定度好、精度高。

圖3 ICG，SH波形時序圖

　　3 數(shù)據(jù)采集及自動增益控制的實現(xiàn)

　　自動增益控制的實現(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。這個范圍的確定可根據(jù)實際需要確定。峰值大于范圍上限時縮光積分時間，避免出現(xiàn)飽和失真的現(xiàn)象。反之，當(dāng)小于范圍下線時延長光積分時間，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。單片機通過得到的數(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，改變SH信號的占空比，光積分時間也隨之改變，實現(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。單片機選擇的是美國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)計部分選用了數(shù)字式電位計X9C103?？梢酝ㄟ^單片機發(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，這兩點在編寫程序時需要考慮進去。

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，光積分時間不斷的在增大，CCD的輸出信號也在不斷的增強。

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帶電子快門的可實現(xiàn)自動增益控制的高速CCD驅(qū)動電路的設(shè)計原理及實驗結(jié)果。

　　經(jīng)過實驗調(diào)試的結(jié)果在不改變時鐘頻率的基礎(chǔ)上將光積分時間縮短至幾個微秒，大大提高了測量速度。同時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、高精度實時在線測量領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。