基于FPGA的CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)

　　2.3 IL-E2型TDI-CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析

　　TDI-CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制比普通線陣CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制要復(fù)雜的多， IL-E2型TDI-CCD的時(shí)序控制包括各種直流電平控制和各種時(shí)鐘脈沖序列控制。對(duì)于前者，主要包括供電電壓VDD、輸出柵電壓VEST、溢出柵電壓VOV、襯底電壓VBB和級(jí)數(shù)控制偏置電壓等；對(duì)于后者，主要包括行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖TCK，像元移位讀出時(shí)鐘脈沖CR1、CR2，輸出復(fù)位時(shí)鐘脈沖RST，TDI方向移位寄存器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖CI1～CI4，級(jí)數(shù)控制時(shí)鐘脈沖CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作時(shí)，在行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖TCK為高電平期間，像元感光產(chǎn)生的信號(hào)電荷在TDI方向移位寄存器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿著TDI（TDI級(jí)數(shù)由TDI級(jí)數(shù)控制脈沖選為6、12、24、48、96中的一種）方向積累并轉(zhuǎn)移到輸出移位寄存器中；當(dāng)TCK為低電平時(shí)，TDI-CCD在像元移位讀出時(shí)鐘脈沖CR1、CR2的作用下，輸出復(fù)位時(shí)鐘脈沖RST每來(lái)一個(gè)有效電平高電平時(shí)，TDI-CCD的輸出信號(hào)OS端輸出一個(gè)信號(hào)，直到信號(hào)輸出完為止。之后TCK由低電平變?yōu)楦唠娖?，CI1、CI2、CI3、CI4也相應(yīng)的變?yōu)橛行щ娖剑D(zhuǎn)移上一次轉(zhuǎn)移完后像元感光產(chǎn)生的信號(hào)電荷，開(kāi)始一個(gè)新的周期。這些時(shí)序控制的詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

　　圖2 TDI-CCD時(shí)序詳圖

　　對(duì)于此TDI-CCD時(shí)序設(shè)計(jì)與普通線陣CCD時(shí)序設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。（1）在TDI方向存在4相移位寄存器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，它們的周期與行周期一致，高電平脈寬t3應(yīng)大于3μs， CI1的上升沿滯后于TCK的上升沿，CI2的下降沿滯后于TCK的下降沿，CI1、CI2的高電平脈寬至少有1μs的重疊。CI3、CI4在時(shí)序關(guān)系上分別為CI1、CI2的倒相。（2）此TDI-CCD的工作級(jí)數(shù)可以通過(guò)CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四個(gè)級(jí)數(shù)選擇信號(hào)進(jìn)行控制，使其工作于96、48、24、12和6級(jí)。

　　3 時(shí)序發(fā)生器的原理組成和工作過(guò)程分析

　　時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生TDI-CCD、視頻處理器和圖像數(shù)據(jù)輸出所需的各種時(shí)鐘脈沖信號(hào)， 時(shí)序發(fā)生器在CCD成像單元工作中起著時(shí)間上同步協(xié)調(diào)的作用。它由時(shí)序控制器給出的指令和參數(shù)予以控制。時(shí)序控制器控制TDI-CCD工作時(shí)的行轉(zhuǎn)移周期， 積分級(jí)數(shù)，控制指令和參數(shù)以串行數(shù)據(jù)的形式送至?xí)r序控制器中，時(shí)序發(fā)生器根據(jù)時(shí)序控制器給出的指令和數(shù)據(jù)產(chǎn)生TDI-CCD和視頻處理器所需要的時(shí)鐘脈沖信號(hào)： 行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖、像元移位讀出時(shí)鐘脈沖、輸出復(fù)位時(shí)鐘脈沖、TDI方向移位寄存器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖、級(jí)數(shù)控制時(shí)鐘脈沖、相關(guān)雙采樣時(shí)鐘脈沖、A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)鐘脈沖等。為了提高工作時(shí)的可靠性， 在時(shí)序控制器中控制指令和參數(shù)沒(méi)有更新時(shí)， 時(shí)序發(fā)生器將按時(shí)序控制器中初始設(shè)置參數(shù)工作。

　　時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)：時(shí)序發(fā)生器生成TDI-CCD、視頻處理器和圖像數(shù)據(jù)輸出所需要的各種時(shí)序。所有時(shí)序是由主振脈沖序列通過(guò)逐級(jí)分頻后的脈沖序列進(jìn)行邏輯和組合運(yùn)算產(chǎn)生的。它們之間滿足嚴(yán)格的相位關(guān)系， 這是相機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)。時(shí)序發(fā)生器的功能框圖如圖3所示。相機(jī)系統(tǒng)一通電就應(yīng)保證立即工作在內(nèi)部默認(rèn)方式， 這樣就能夠馬上判斷系統(tǒng)是否正常。如果外部或內(nèi)部設(shè)置指令無(wú)效， 系統(tǒng)也返回默認(rèn)方式， 這是相機(jī)系統(tǒng)可靠性的體現(xiàn)。時(shí)序發(fā)生器所產(chǎn)生的各種時(shí)鐘由VHDL 語(yǔ)言完成。

　　圖3　時(shí)序發(fā)生器功能框圖