線陣CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　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(cè)量及定位測(cè)控等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛.CCD應(yīng)用的前端驅(qū)動(dòng)電路成本價(jià)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(dòng)器有兩種：一種是在脈沖作用下CCD器件輸出模擬信號(hào)，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(hào)的線陣CCD器件，設(shè)計(jì)方便靈活的驅(qū)動(dòng)電路與之匹配是CCD應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本文以TCD1501C型CCD圖像傳感器為例.介紹了其性能參數(shù)及外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).驅(qū)動(dòng)時(shí)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(cè)量產(chǎn)品中。

　　2 CCD工作原理

　　CCD是以電荷作為信號(hào)，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)，其基本功能是信號(hào)電荷的 產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時(shí).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(hào)，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)?；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(shí)現(xiàn)圖像傳感和尺寸測(cè)量的功能。圖1為CCD光譜響應(yīng)曲線。

　　3 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

　　線陣CCD TCD1501C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7μm×7μm;像元中心距為7μm;像元總長(zhǎng)為35 mm;光譜響應(yīng)范圍為400 nm-1000 nm.光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)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(dòng)電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時(shí)序脈沖.二是對(duì)CCD輸出的原始模擬信號(hào)進(jìn)行處理，包括增益放大、差分信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換.最后驅(qū)動(dòng)器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

　　3.1 基于VHDL的驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)

　　本部分設(shè)計(jì)是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。CCD器件需要復(fù)雜的三相或四相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖，多數(shù)面陣CCD都是三相或四相驅(qū)動(dòng)，多數(shù)線陣CCD都是二相驅(qū)動(dòng)。本文以二相線陣CCD圖像傳感器TCD1501C為例，實(shí)現(xiàn)了用CPLD完成的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。CCD為容性負(fù)載，工作頻率高時(shí)有一定的功耗，因此需要對(duì)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(shí)鐘脈沖中Φ1E、Φ2E等各路驅(qū)動(dòng)脈沖采用74HC14進(jìn)行整形和驅(qū)動(dòng)能力的放大.然后再送至TCD1501C器件的相應(yīng)輸入端，在CCD的模擬信號(hào)輸出端將得到信號(hào)0S和補(bǔ)償信號(hào)DOS。TCD1501C典型的最佳工作頻率是1MHz，該器件具有5 000個(gè)有效像元輸出。TCDl501C正常工作時(shí)要有76個(gè)啞像元輸出.一個(gè)掃描行周期內(nèi)至少應(yīng)包含有5 076個(gè)時(shí)鐘脈沖，即TSH>5076×Φ1E 0.1μs，在本設(shè)計(jì)中TSH=5200×Φ1E。由此可見，改變時(shí)鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時(shí)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(shí)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(shí)間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉(zhuǎn)移損失率。CCD驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率應(yīng)盡可能小。驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率降低時(shí)，可以在示波器上觀察到CCD輸出信號(hào)幅值明顯增強(qiáng)。圖2所示為CCD工作波形。