圖像信號處理芯片AK8408的原理及應用

AK8408是日本旭化成(株)研制的新一代專用于處理CCD、CIS等彩色/黑白圖像傳感器輸出信號的專用芯片。它將圖像傳感器輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出給用戶。同時，根據(jù)用戶自己的設置，可以將圖像傳感器的明輸出偏差值與暗輸出偏差值進行先期處理。

主要性能介紹

AK8408是CMOS單片結構，5V單一電源(5V±5%)，內置基準電壓電路，100PIN LQFP的封裝形式。主要性能包括：

彩色傳感器用寄生信號補償LSI

對應1CH、G/R/B3CH輸出的傳感器，產生傳感器用的CLK、最大輸入電平1.25VP-P。

輸入圖像信號數(shù)據(jù)的速度：1CH時,10M像素/秒；3CH時，3.3M3像素/秒。

可對應最大像素數(shù)是81923(可以8像素為1個單位設定)。

內置圖像信號轉換用10位ADC和兩個8位DAC設定暗/明基準電壓

內置檢測全像素明電平補償值的用ADC和補償用模擬除法器。

內置3CH的偏差檢測/補償用的ADC/DAC。

3CH增益調整用PGA(8位、1倍～4倍)、內置增益調整功能。

LED點燈時間調整功能，內置峰值檢測/保持電路(8位)。

串行接口。

CLK：1.5MHZ～10MHZ。

內部功能電路說明

1.基準電壓生成電路：

將電源電壓用電阻分壓，生成基準鉗位電壓VCLP=2.1V。

使用基準電壓電路，生成明電平側基準電壓VREF=0.85V。

2.傳感器信號輸入電路：

輸入信號是負邏輯(負向為輸入信號的明電平方向)。

3個通道分別內置鉗位電路和采樣保持電路，可以通過設定寄存器來選定1個通道工作(10MHZ)或3個通道工作(3.3MHZ)。

由內置的模擬開關和外部的電容構成直流再生電路。

3.暗補償值檢測ADC/補償電路：

將指定的像素或全像素的模擬輸入信號與鉗位電壓的差值用8位AD轉換器轉換成數(shù)字信號，并作為補償值?？梢詸z測、補償相對于鉗位電壓的正、負兩個方向的暗偏差值。

補償就是用模擬輸入信號減去補償值。補償范圍可以由寄存器來規(guī)定，一般是 50mV～ 200mV，用 50mV為一個單位變換。為了消除LSI初期的放大器的偏差信號(最大為25mV)，用寄存器可以設定可檢測的動態(tài)量程在25mV的狹窄范圍內。

暗補償電路不能消除該電路以后的電路產生的偏差。為了消除它，可以適當調整被檢測的偏差數(shù)據(jù)。調整用數(shù)據(jù)根據(jù)暗補償值偏差調整用寄存器設定。

4.PGA電路：

增益調整電路的作用是使各通道的信號幅度保持同一水平。

暗補償后的信號以VCLP為基準調整增益。根據(jù)PGA增益寄存器的設定，可在1～4倍內適當調整增益。

5.峰值檢測/保持電路：

由逐次比較型8位ADC(峰值檢測電路)和8位DAC(峰值保持電路)以及它們之間的數(shù)字電路構成。

峰值檢測電路的輸入信號，在峰值檢測模式時成為暗補償后的信號、在讀取模式時成為暗/明補償后的正規(guī)化信號。

6.明補償值檢測/補償電路：

把用峰值檢測模式檢測的峰值電壓(VPEAK)作為明電平側基準、把VCLP的40%作為暗電平側的基準。全像素范圍內，把鉗位電壓與模擬輸入信號的差值用9位ADC進行AD轉換，并作為補償值。

補償就是把檢測到的補償值作為放大數(shù)據(jù)再進行模擬計算。

7.用于圖像信號轉換的10位ADC用的基準電壓生成DAC(暗/明)：

內置產生相對于VCLP與VPEAK的相對電壓的兩個8位DAC，作為圖像信號轉換的10位ADC用的暗、明基準電壓。

8.圖像信號轉換用的10位ADC：

內置把暗/明補償后的模擬輸入信號進行最后AD轉換的10位ADC。

把基準電壓生成DAC生成的基準電壓(VWHT、VBLK)作為滿量程進行10位AD轉換。

9.暗偏差調整電路：

為了調整明電平檢測/補償電路前面的內部偏差值，要用暗補償值對偏差進行計算。

10.ADC偏差調整電路：

為了調整明電平檢測/補償電路后面的內部偏差值，要在ADC輸入端對偏差進行計算。

各種傳感器及輸入電路控制

MUX電路控制

在3CH彩色傳感器中，彩色/黑白處理的區(qū)別，或者，前期處理時輸入通道的設定等，根據(jù)通道使能寄存器來設定。

3CH彩色傳感器(彩色處理)

1.采樣速度最大為3.3M/sec，圖像信號處理速度最大為10M/sec；

2.3CH同時采樣，然后按照設定的采樣順序，切換MUX；

3.被采樣的N 3個數(shù)據(jù)，如下圖所示，相互交替排列成一線數(shù)據(jù)輸入；
[3CH彩色傳感器的輸出](圖1)
(例如：CN0對應GREEN、CN1對應RED、CN2對應BLUE的輸入場合)
[3CH傳感器彩色處理](圖2)
(例如：采樣順序設定為CN0→CN1→CN2時)

1CH彩色傳感器(彩色處理)

1.采樣速度與圖像處理速度相同，最大為10M/sec；

2.傳感器輸出信號從CN0輸入，CN1、CN2開路；

3.隨著每線輸入信號顏色的變化，LSI內部的處理顏色也變化；

4.彩色處理順序用采樣順序設定寄存器設定，GRB各色數(shù)據(jù)分別采樣；
[1CH彩色傳感器的輸出](圖3)
[1CH彩色傳感器的處理](例如：采樣順序設定為G→R→B)(圖4)

傳感器通道切換模式(彩色處理)

1.采樣速度與圖像處理速度相同，最大為10M/sec；

2.切換每線采樣通道，按照采樣順序的設定來切換MUX。與此相對應，LSI內部的處理顏色也變化；

3.彩色處理順序用采樣順序設定寄存器設定，GRB各色數(shù)據(jù)分別采樣；
[傳感器通道切換模式時彩色傳感器的輸出]
(例如：采樣順序設定為G→R→B的輸入場合)(圖5)
[3CH傳感器彩色處理]
例如:采樣順序設定為CN0-CN1-CN2時。(圖6)

7種工作模式及內部寄存器

AK8408有地址是從00H到2AH的共計43個內部功能設定寄存器，它控制著AK8408的所有操作及七種基本工作模式。其中對通道的選擇、操作過程基本如下：

通過AK8408的3位控制寄存器(R12/D2、R12/D1、R2/D0)，專門用于控制各個通道的使能/禁止。0：禁止；1：使能。使用傳感器時，本寄存器的設定方法如下所示(以3CH彩色傳感器為例)。

1.偏差校準模式1：需要各個通道分別進行，用本寄存器依次設定需要處理的各個通道。實施本模式，一次僅能使能一個通道。

2.偏差校準模式2：與本寄存器無關，將通道全部使能。

3.檢測暗補償值：需要各個通道分別進行，用本寄存器依次設定需要處理的各個通道。

4.增益調整：需要各個通道分別進行，用本寄存器依次設定需要處理的各個通道。

5.峰值檢測：與本寄存器無關，將通道全部使能。

6.檢測明補償值：需要各個通道分別進行，用本寄存器依次設定需要處理的各個通道。

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