線陣CCD圖像傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計
關(guān)鍵詞：線陣CCD；圖像傳感器；儀器儀表放大器；差分驅(qū)動
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、尺寸測量及定位測控等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，CCD應(yīng)用的前端驅(qū)動電路成本價格昂貴，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，給用戶帶來很大的不便。CCD驅(qū)動器有兩種：一種是在脈沖作用下CCD器件輸出模擬信號，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，選擇不同型號的線陣CCD器件，設(shè)計方便靈活的驅(qū)動電路與之匹配是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)動電路的設(shè)計，驅(qū)動時序參數(shù)可以通過VHDL程序靈活設(shè)置，該電路已成功開發(fā)并應(yīng)用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。
2 CCD工作原理
CCD是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時，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，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號?；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可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。圖1為CCD光譜響應(yīng)曲線。
3 驅(qū)動電路的實現(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；像元總長為35 mm；光譜響應(yīng)范圍為400 nm～1000 nm，光譜響應(yīng)峰值波長為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)動電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時序脈沖，二是對CCD輸出的原始模擬信號進(jìn)行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。
3.1 基于VHDL的驅(qū)動時序設(shè)計
本部分設(shè)計是基于Xilinx公司的CPLD-XC9572-PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)的。CCD器件需要復(fù)雜的三相或四相交疊驅(qū)動脈沖，多數(shù)面陣CCD都是三相或四相驅(qū)動，多數(shù)線陣CCD都是二相驅(qū)動。本文以二相線陣CCD圖像傳感器TCDl501C為例，實現(xiàn)了用CPLD完成的驅(qū)動電路設(shè)計。CCD為容性負(fù)載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要對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，以及二相時鐘脈沖φ1E、φ2E等各路驅(qū)動脈沖采用74HCl4進(jìn)行整形和驅(qū)動能力的放大，然后再送至TCDl501C器件的相應(yīng)輸入端，在CCD的模擬信號輸出端將得到信號OS和補(bǔ)償信號DOS。TCDl501C典型的最佳工作頻率是lMHz，該器件具有5 000個有效像元輸出。TCDl501C正常工作時要有76個啞像元輸出，一個掃描行周期內(nèi)至少應(yīng)包含有5 076個時鐘脈沖，即TSH>5 076xφ1E 0.1μs，在本設(shè)計中TSH=5200xφ1E。由此可見，改變時鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時鐘脈沖數(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)以改變光積分時間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉(zhuǎn)移損失率，CCD驅(qū)動脈沖的頻率應(yīng)盡可能小。驅(qū)動脈沖的頻率降低時，可以在示波器上觀察到CCD輸出信號幅值明顯增強(qiáng)。圖2所示為CCD工作波形。
下面是產(chǎn)生時序脈沖的VHDL程序：
3.2 基于AD623的CCD輸出信號差分驅(qū)動設(shè)計
CCD在驅(qū)動脈沖的作用下，經(jīng)移位寄存器順序輸出視頻信號，復(fù)位脈沖RS每復(fù)位一次，CCD輸出一個光脈沖信號。由于TCDl501C信號檢測采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)，使其視頻輸出信號中疊加了一些由周期性復(fù)位信號RS引起的串?dāng)_信號，而且有效信號幅值較小，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、有效差模信號較低的差分信號，信號波形如圖3和圖4所示，所以模擬信號輸出在進(jìn)行后續(xù)處理(包括長線傳輸、A/D轉(zhuǎn)換等)之前要進(jìn)行一系列預(yù)處理，消除視頻信號中的復(fù)位脈沖串?dāng)_及其他干擾，將微弱的視頻信號進(jìn)行幅值放大及驅(qū)動能力的放大。由于是對差分信號的處理，所以先討論一下差分電路的基本概念。圖5為差分信號測量電路里差模和共模電壓示意圖，VDIFF是信號差模電壓，VCM是信號共模電壓，信號輸出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)，在實際測量電路中可能會由于電阻值的微小不匹配而導(dǎo)致兩個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，用對數(shù)形式表示：20lg [(100/％mismatch)×(C+1)]。實際工程應(yīng)用中，電路工作在一個很大的噪聲源中，如50 Hz交流電源線的噪聲、設(shè)備的開關(guān)噪聲、無線信號的傳輸噪聲，這些干擾信號作用在差分輸入端，將會在輸出端產(chǎn)生一個共模信號，因此差分信號處理除了要求有高的DC CMRR，還要有高的AC CMRR。
在電路設(shè)計中選用了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模擬信號處理電路如圖7，將視頻信號及其補(bǔ)償輸出分別送至AD623的反相和同相輸入端，在AD623的輸出端接一級射極跟隨器以增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力。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的溫度漂移。
4 結(jié)束語
基于上述開發(fā)的線陣CCD驅(qū)動器已調(diào)試成功，并且用于某位置測量系統(tǒng)中，工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計方案只要再拓展AD轉(zhuǎn)換部分就可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)的前端。
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