|
1、引言 電荷耦合器件(CCD)是一種光電轉換式圖像傳感器，它將圖像信號直接轉換成電信號。由于 CCD 具有集成度高、低功耗、低噪聲、測量精度高、壽命長等諸多優點，因此在精密測量、非 接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領域中得到了廣泛的應用。面陣列CCD成像器件分為 全幀轉移（Full Frame）CCD、幀轉移（Frame. Transfer）CCD、行間轉移（Interline Transfer） CCD 三種類型。行間轉移CCD 中的成像區與存儲區呈列交錯，因此不需要機械快門，速度最 快且能連續成像；同時在真正的成品中，會在每個像素上加微透鏡從而彌補了填充因子小的缺 點。典型的消費級的相機，一般用的都是行間轉移CCD。 CCD器件需要驅動脈沖信號才能正常工作，而驅動電路就為CCD提供所需的時序邏輯和相關 的電壓信號，所以驅動電路的研制就顯得十分的重要。CCD的驅動電路主要由供電模塊、驅動器 電路和驅動時序產生電路三部分組成。常用的幾種CCD 驅動時序產生方法包括：中小規模數字 邏輯電路驅動方法、使用只讀存儲器方法、微處理器或數字信號處理器(DSP)、使用可編程邏輯 器件，CPLD或FPGA等。本文中驅動時序采用第三種方法可編程邏輯器件FPGA來實現。 2、Kodak CCD KAI-0340 簡介 KAI-0340 是Kodak 公司生產的一款行間轉移型面陣CCD，單（雙）通道輸出可選擇（本文中選用單通道輸出模式）。主要的性能參數如下： 具有以下特征： ·水平、垂直均為兩相驅動，其中一相垂直轉移時鐘為三電平 ·電子快門 ·低暗電流、高靈敏度 ·每行左右兩端各有 24 個暗像元，可以作為暗電平參考 3、CCD 供電模塊 為了保證 CCD KAI-0340S 正常工作，需要的驅動電壓和直流偏置電壓具體要求如表1 所示。 對表 1 進行分析可知：只需+15V 和-9V 兩組電壓就可實現對CCD 的基本偏置；H1、H2 水 平移位驅動工作電壓峰峰值為5V（-5V"0V），R 復位驅動的工作電壓峰峰值也為5V（-3V"+2V）， 因此取+5V 作為水平和復位驅動時鐘的工作電壓；V1 垂直轉移的工作電壓9V（-9V"0V），V2 為三電平(-9V、0V、+9V), 從而取±9V 作為垂直驅動時鐘的工作電壓；電子快門脈沖電壓為 VAB"VAB+40V（峰峰值為40V），需要±20V 電路來實現。同時結合整個CCD 成像系統供電 需求，得出所需電壓電平種類為：+3.3V，+5V，±9V，+10V，+15V，±20V。為了提高系統 的電源效率，設定整個供電系統的外部輸入電壓為三種：+5V，-10V，+15V。+9V、+10V 和+3.3V 電壓通過集成穩壓器LT 1764EQ 和LT 1764EQ-3.3 來實現；-9V 通過-10V 電壓分壓得到；產生 電子快門高壓脈沖所需±20V 電源采用±10V 脈沖倍壓電路實現，具體電路的原理圖如圖1 所示。經實際應用表明，電源模塊滿足各功能電路所需電壓及功耗。 4、驅動器電路 面陣 CCD KAI-0340S 的驅動時鐘分為水平移位時鐘、復位時鐘、垂直轉移時鐘、電子快門 時鐘四種，需要的驅動電壓具體要求見表1。 CCD 在單端輸出模式下， 水平移位時鐘對應圖像傳感器的管腳連接如下： H1=H1S(5)+H1BL(4)+H2BR(9); H2=H2S(7)+H2BL(3)+H1BL(8)。H1，H2，R 共用一片74AC04 驅動器，每個時鐘使用兩個門驅動，再配合濾波電容和鉗位電路便可以實現對面陣CCD 的水平 和復位驅動。 垂直轉移需要 V1、V2 兩相驅動時鐘，其中V2 為三電平，因為FPGA 產生的信號只有‘0’ 和‘1’兩種狀態，所以需要將信號V2 分解成V2HM 和V2ML 兩個信號。V1 通過一片EL7212 進行驅動，配合濾波電容和鉗位電路實現。 V2 驅動器選用一片MAX4426，通過V2HM 控制其 電源端（將V2HM 反向）。當V2HM 為高的時候，MAX4426 產生峰峰值9V 的輸出信號，當 V2HM 由高變低時，MAX4426 的電源端被升到18V，從而產生出滿足要求的三電平信號V2。 電子快門脈沖電壓為 VAB"VAB+40V（峰峰值為40V），使用分立元件產生，具體電路的原 理圖如圖2 所示。 5、CCD 驅動時序設計 KAI-0340S工作需要6路驅動信號：分別是兩相水平移位寄存器時鐘H1、H2；復位脈沖時鐘 RL；兩相垂直轉移時鐘V1、V2（分解成V2HM和V2ML）；電子快門時鐘SUB。CCD成像的一個 工作周期分三個階段：曝光階段，行間轉移階段和水平移位階段。CCD工作時，首先底層出現電 子快門脈沖將光敏區的電荷清除，電子快門脈沖之后開始圖像信號積分階段，積分完成后V2上 的高電平把光敏區的包含圖像信息的電荷包轉移到擋光的垂直CCD上，接下來通過V1和V2的互補 時鐘逐行把垂直CCD中的電荷包轉移到水平CCD上，再通過H1和H2的互補時鐘逐個把水平CCD上的電荷包轉移到浮置擴散輸出節點，進行電荷測量供后續電路處理，同時CCD又可進行下一幀圖像 的曝光。KAI-0340S的詳細驅動時序關系參見其使用說明書。其中實現H1和H2部分程序如下： 本文選用的FPGA 是Xilinx 公司的XC2S150，一共有150，000 個邏輯門，滿足整個系統的所有需求；采用硬件描述語言VHDL 進行邏輯設計，用ModelSim 仿真，關鍵部分的波形見圖3。 6、結論 本文的創新是：先將V2 三電平進行分解，之后巧妙地利用兩個驅動器和鉗位電路來實現三 電平階梯波形的時序驅動；采用FPGA 器件來設計行間轉移面陣CCD 驅動時序。系統設計完成后， 由示波器測試各路輸出的驅動信號，所顯示的波形與仿真波形一致，得到令人滿意的結果。因 此本文的驅動電路設計方案能夠滿足的 KAI-0340 的性能要求，可以用來驅動行間轉移型面陣 CCD KAI-0340S。 |
