基于FPGA的線陣CCD驅動設計
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當SH脈沖為高電平時φ1脈沖亦為高電平，其下均形成深勢阱，SH的深勢阱使φ1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通，從而使MOS電容存儲柵中的信號電荷轉移到φ1電極下的勢阱中。當SH電平由高變低時，SH低電平形成的淺勢阱將MOS電容存儲柵下的勢阱與φ1電極下的勢阱隔離開。存儲柵的勢阱進入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在φ1和φ2脈沖的作用下驅動信號電荷向左轉移，最后信號經(jīng)由OS端輸出啞元信號和2 700個有效像元信號，而由DOS端輸出補償信號。由于結構的安排，OS端首先輸出13個虛設單元信號；再輸出51個暗信號；最后連續(xù)輸出2 700個有效像素單元信號；接著輸出9個暗信號、2個奇偶檢測信號和沒有信號的空驅動，空驅動的數(shù)目為任意的，但必須大于0，否則會影響下一行信號的輸出。由于該器件是兩行奇、偶傳輸，所以在一個SH周期中至少要有1 388個φ1脈沖，即TφSH>1 388Tφ1。CCD各路脈沖的技術指標為：φ1，φ2為驅動脈沖，φ1，φ2相位相反，兩者均是頻率為0．5～2 MHz，占空比為1：2的方波，本文要求該頻率可調節(jié)。SH為轉移脈沖，由圖1可以看出：當SH為高電平時必須φ1同步為高電平。當SH為低電平時，φ1也將變?yōu)榈碗娖?。但是?phi;1脈沖必須比SH脈沖提前上升、遲后下降。即在并行轉移時φ1脈沖有一個大于SH為高電平時的持續(xù)時間的寬的高電平脈沖。由上面分析可以得出，TφSH>1388Tφ1，RS為復位脈沖，占空比為1：4的方波，頻率為1～4 MHz，同時要求該頻率同樣可調節(jié)。
3 驅動時序的實現(xiàn)
3．1 驅動時序的FPGA實現(xiàn)
為了產生系統(tǒng)中用到的時序，設計了基于復雜可編程邏輯器件FPGA的CCD傳感器驅動時序發(fā)生器，采用Altera公司的QuartusⅡ軟件開發(fā)系統(tǒng)。QuartusⅡ軟件開發(fā)系統(tǒng)是一種全集成化的可編程邏輯設計環(huán)境，它支持硬件描述語言(VHDL和Verilog HDL)、狀態(tài)圖和原理圖三種輸入方式，擁有編譯、邏輯綜合、仿真等功能。相對于其他輸入方式，硬件編程語言的輸入方式(如VHDL或VerilogHDL)可移植性和可讀性好，因此成為本設計的首選。其中Verilog HDL具有編程靈活、使用方便等優(yōu)點為眾多設計所接受?？傮w的設計思想是將驅動時序分成三個模塊，分別為AD0832，Divider和CCD_Driver。AD0832模塊采集輸出數(shù)據(jù)由Divider分頻模塊處理后輸入給CCD_Driver模塊去調節(jié)CCD的積分時間與驅動頻率，同時CCD_Driver模塊輸出4路信號驅動CCD。CCD_Driver模塊的的總體設計思想是將可調時鐘in_clk、積分時間INTER_TIME作為輸入而且它們與Dirider模塊的輸出CCD_clk、Ctr_Time_Out[12．．0]對應，產生四路信號SH，RS，PH1，PH2作為輸出直接驅動CCD。其中驅動頻率RS和積分時間SH可調。CCD驅動時序的設計如圖2所示。CCD_Driver模塊實現(xiàn)的功能是將時鐘輸入(in_clk)二分頻分別得到Q1和Q2信號，四分頻得到temp_ph。用信號temp_ph作為計數(shù)時鐘輸入，分別在它的上升沿和下降沿觸發(fā)產生信號temp_sh1，temp_sh2。將Q1，Q2，temp_ph，temp_sh1，temp_sh2進行組合邏輯運算分別得到轉移脈沖SH、復位脈沖RS、時鐘信號PH1，PH2。其中轉移脈沖SH、復位脈沖RS頻率可調。使用VerilogHDL編寫程序中要求時鐘PH2與PH1信號相位相反。Q1為在時鐘in_clk的上升沿觸發(fā)的二分頻信號，Q2為在時鐘in_clk的下降沿觸發(fā)的二分頻信號。把Q2取反后與Q1相與產生RS信號。由于SH，RS，PH1，PH2信號存在一定的周期關系，所以在Q1下降沿時觸發(fā)翻轉二分頻得到基信號temp_ph。用信號temp_ph作為計數(shù)時鐘輸入，分別在它的上升沿和下降沿觸發(fā)并根據(jù)積分時間計數(shù)控制temp_sh1，temp_sh2的高低電平時間。將temp_sh1，temp_sh2相與得到SH信號；將temp_ph，temp_sh1與temp_sh2相或得到PH1信號。PH1取反得到PH2信號。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191126.htm
3．2 仿真結果
以上模塊在QuartusⅡ軟件開發(fā)系統(tǒng)上進行設計輸入，經(jīng)編譯、校驗后，其仿真波形如圖3所示。
從仿真結果可看到產生的驅動脈沖與線陣CCD-CCD-TCD1251UD所需要的驅動時序完全吻合，能夠達到CCD驅動電路要求。
4 結語
使用FPGA器件實現(xiàn)對CCD驅動器的設計，很好的滿足了CCD應用向高速、小型化、智能化發(fā)展的需求。在設計中，首先必須清楚CCD驅動時序的要求，并利用硬件描述語言進行科學的編程，這樣才能有效地完成設計需求。本文通過一個設計實例，來說明利用FPGA設計CCD驅動器的方法，經(jīng)過仿真測試，驗證了該設計滿足CCD驅動要求。
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