线阵CCD图像传感器驱动电路的设计

1、线阵CCD图像传感器驱动电路的设计上传者：卤煮火烧浏览次数：7131引言电荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device)是20世纪60年代末期岀现的新型半导体器件。目前随着CCD器件性能不断提高.在图像传感、尺寸测量及定位测控等领域的应用日益广 泛.CCD应用的前端驱动电路成本价格昂贵，而且性能指标受到生产厂家技术和工艺水平的制约.给用户带来很大的不便。CCD驱动器有两种：一种是在脉冲作用下 CCD器件输岀模拟信号，经 后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输岀格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵CCD摄像

2、机就指后者，外加机械扫描装置即可成像。所以根据不同应用领域和技术指标要求.选择不同型号的线阵CCD器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是CCD应用中的关键技术之一。本文以TCD1501C型CCD图像传感器为例.介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计.驱动时序参数可以通过 VHDL程序灵活设置.该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品 中。2 CCD工作原理CCD是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时.CCD首先完成光电转换.即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的工作原理是被摄物体反

3、射光线到 CCD器件上.CCD根据光的强弱积聚相应的电荷.产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处 理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维 光学信息转变为电信息输岀的原理，线阵CCD可以实现图像传感和尺寸测量的功能。 图1为CCD 光谱响应曲线。3驱动电路的实现线阵CCD TCD1501C 的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000;像元尺寸为7卩7卩m; 像元中心距为7 I m;像元总长为35 mm;光谱响应范围为400 nm-1000 nm.光谱响应峰值波长为550 nm，灵敏度为10.4 V/lx.s 15.6 V/lx.s 。使C

4、CD芯片正常工作的驱动电路主要有 两大功能。一是产生CCD工作所需的多路时序脉冲.二是对CCD输岀的原始模拟信号进行处理， 包括增益放大、差分信号到单端信号的转换.最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。3.1基于VHDL的驱动时序设计本部分设计是基于 Xilinx公司的CPLD XC9572 一 PC44-10，在ISE6.1环境下开发实现 的。CCD器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵CCD都是三相或四相驱动，多数线阵CCD都是二相驱动。本文以二相线阵 CCD图像传感器TCD1501C为例，实现了用CPLD 完成的驱动电路设计。CCD为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要

5、对CPLD输岀的复位脉冲RS、移位脉冲（又称光积分脉冲）SH、箝位脉冲CP、采保脉冲SP，以及二相时钟脉 冲中1E、2E等各路驱动脉冲采用74HC14进行整形和驱动能力的放大.然后再送至 TCD1501C 器件的相应输入端，在 CCD的模拟信号输岀端将得到信号 0S和补偿信号DOS。 TCD1501C 典型的最佳工作频率是1MHz，该器件具有5 000个有效像元输岀。TCDl501C 正 常工作时要有76个哑像元输岀.一个扫描行周期内至少应包含有 5 076个时钟脉冲，即 TSH>5076 X1E 0.1卩，在本设计中TSH=5200 X1E。由此可见，改变时钟脉冲频率或增 加光积分脉冲

6、周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常1E的频率设置为可调节的，这样可以根据CCD器件的实际应用环境灵活运用 CCD器件的优点以改变光积分时间。只要条件 允许，为降低CCD的电荷转移损失率。CCD驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率降低 时，可以在示波器上观察到 CCD输岀信号幅值明显增强。图 2所示为CCD工作波形。PIT WTRJ*)«-mm mifF面是产生时序脉冲的 VHDL程序:ul:protcss(cik)beginif(clk' event and clk=* 1' )then ifKcntlc'OOOirjthenre<=r ;

7、ra<=" 0"w wend if;end if;end proc ess;generate cp_s signal pulse.Awidths 120 nsfperiod=lnsx25AuipcvgMclk)1rif(clk" evenl and clk= 1 Hhen if(cnt 1 >5 and cnl I <9)then cpjk二 r ；ekecp_x二"0 ；end if：end if;end process：generate <p signal puke、Ah u3:procm(elk|beginif(clk ev

8、ent and elk-* 1* )(hen iftcnd>l I and cn(l<l5khen »p<=1 ；k* o，； end if;end if;end prtKrjw;irnrrale nyrt_s signal pulse067 syn<=" 1,685444 Myn<=x O'u4:prms(cp_!i)T51：IT “C IiP_、event and cp_s=' 0* Hhrriiftrnt2<,，0000(X) 1000100" Jlhrnsyn_s<二 T ;ekeevent and

9、 cp_s=)lhcn if(ent3>0 and cnt3<3nhen0":«h<=r Irllfl if：end if;rnd process;3.2基于AD623的CCD输岀信号差分驱动设计CCD在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输岀视频信号，复位脉冲RS每复位一次，CCD输岀一个光脉冲信号。由于TCD1501C 信号检测采用选通电荷积分器结构。使其视频输岀信号中叠加了一些由周期性复位信号RS引起的串扰信号。而且有效信号幅值较小，约为500mV。直流电压约有4.1V。这是一组典型的共模电压较高、有效差模信号较低的差分信号，信号 波形如图3和图4所示

10、。所以模拟信号输岀在进行后续处理(包括长线传输、A/D转换等)之前要进行一系列预处理，消除视频信号中的复位脉冲串扰及其他干扰，将微弱的视频信号进行幅值 放大及驱动能力的放大。由于是对差分信号的处理，所以先讨论一下差分电路的基本概念。图5为差分信号测量电路里差模和共模电压示意图，VDIFF是信号差模电压，VCM是信号共模电压，信号输岀V0UT=R2/R1 VDIFF=G VDIFF理想状态下，一般差模增益 G>1，而共模增益 (%mismatch/100) x G/(G+1)接近于零，因此可以看岀共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的

11、共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比(CMRR)就是差模增益G与共模增益的比值。用对数形式表示：201g(100/%mismatch) x (G+1)。实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源 中.如50 Hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在 差分输入端，将会在输岀端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的DC CMRR.还要有高的AC CMRR。ss图4 CCD的DOS瑞输出波形£=)丄X7ns址腔分仏号示意图在电路设计中选用了 ADI公司的仪器仪表放大器 AD623.内部结构原理如图6所示。AlU!G!S RtSISTUA50 kf)h!在电路设计中选用了 ADI公司的仪器仪表放大器 AD623.内部结构原理如图6所示。AD623集成了 3路运放.可单电源或双电源工作，具有较高的CMRR和极低的电压漂移，除了一个控制可编程增益的外接电阻外，所有元件都集成在内部，提高了电路温度稳定度和可靠 性。应用AD623的CCD模拟信号处理电路如图7。将视频信号及其补偿输岀分别送至 AD623 的反相和同相输入端.在AD623的输岀端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力。选用该器件可