AD9822及其在面陣CCD系統(tǒng)中的應(yīng)用
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2 AD9822的結(jié)構(gòu)及其工作原理
2．1 AD9822簡介
AD9822是美國ADI公司的一款面向CCD的完善的低功耗單通道模擬信號處理器，內(nèi)含最高15 MSPS的相關(guān)雙采樣(CDS)電路、可編程增益放大器(PGA)、14位精度的最高采樣率為15 MSPS的A／D轉(zhuǎn)換器，可以對面陣CCD信號和模擬視頻信號進行A／D轉(zhuǎn)換。AD9822以其高精度、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、科學研究等領(lǐng)域的高精度圖像采集系統(tǒng)中。
圖2為AD9822的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它提供三通道的信號輸入，每個通道由輸入箝位、相關(guān)雙采樣、DAC補償以及可編程增益放大器PGA和高精度A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。CCD輸出信號先后在相關(guān)雙采樣處理單元、增益控制處理單元以及A／D轉(zhuǎn)換處理單元作用下，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。
2．2 AD9822的工作原理
本設(shè)計采用的是單路CDS模式，CCD視頻信號在進入AD9822之前，首先要進行交流耦合。由于CCD的輸出信號包含了一個較大的直流成分，這個直流量會超出后接信號處理芯片允許的輸入信號電壓范圍，因此，需要從信號中去除這個大的直流分量。在實際電路中，將CCD的輸出信號經(jīng)過一個 O．1μF的耦合電容連接到AD9822的CCD信號輸入引腳。在本設(shè)計中，由于CCD輸出信號的幅值為1．9 V，而AD9822允許的輸入信號幅值為2 V，所以，經(jīng)過交流耦合后，CCD輸出信號可直接進入AD9822。之后，視頻信號首先經(jīng)過的是輸入箝位電路，箝位電路用來消除信號鏈中的殘留偏壓，并且跟蹤CCD暗像素的頻率成份，錯誤的信號將被過濾掉，所以噪聲降低，去掉偏壓還可減小對增益改變的影響。
經(jīng)過箝位后的信號進入相關(guān)雙采樣電路。電路對每個CCD像素信號進行兩次采樣，以提取視頻信息和抑制低頻噪聲。由于CCD每個像素的輸出信號中既包含有光敏信號，也包含有復(fù)位脈沖電壓信號，若在光電信號的積分開始時和積分結(jié)束時，分別對輸出信號采樣，并且使得兩次采樣的間隔時間遠小于時間常數(shù) RonC(Ron為復(fù)位管的導(dǎo)通電阻)，則這樣2次采樣的噪聲電壓相差無幾，而這兩次采樣的時間又是相關(guān)的。若將兩次采樣值相減，就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾，得到信號電平的實際有效幅值。如圖1所示，CDSCLK1和CDSCLK2分別用來對參考電平和數(shù)據(jù)電平進行采樣，ADCCLK為ADC的采樣時鐘。它們和CCD視頻信號的位置關(guān)系決定了信號質(zhì)量的好壞。CDSCLK1，CDSCLK2和ADCCLK均由FPGA實現(xiàn)。
經(jīng)過相關(guān)雙采樣后，信號被送入增益放大器PGA。這里先經(jīng)過一個DAC補償?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，以便更穩(wěn)定地調(diào)節(jié)圖像信號。DAC offset可以提供-350～+350 mV的信號補償，步進階數(shù)為512，即9 b的分辨率。具體數(shù)值通過補償寄存器進行配置。增益放大器PGA的增益范圍為1～5．7 dB，步進階數(shù)為64階，分辨率為6 b，通過PGA增益寄存器進行配置。PGA的增益值和PGA Gain寄存器中的值之間的關(guān)系如下：
式中：G為增益寄存器中的十進制的值，變化范圍為0～63。
合理地設(shè)置增益放大器，可將信號調(diào)節(jié)至ADC允許的最大量程，有利于提高ADC的動態(tài)范圍，從而提高圖像質(zhì)量。
經(jīng)過以上信號預(yù)處理后，信號進入A／D轉(zhuǎn)換器，AD9822使用的是高性能14 b模數(shù)轉(zhuǎn)換器，高速低耗。差分非線性性能在O．7LsB左右。由CCD視頻信號的數(shù)據(jù)輸出速率可知，AD采樣率為10 MHz。因為AD9822只有8個數(shù)據(jù)輸出引腳，因此采用分時輸出高8位和低6位的方法來實現(xiàn)14位數(shù)據(jù)的輸出。采樣時鐘ADCCLK和輸出數(shù)據(jù)關(guān)系如圖2所示。輸出數(shù)據(jù)送入低壓差分線驅(qū)動器DS90C031后轉(zhuǎn)換為差分信號，而后送到下一級處理器進行處理。
2．3 AD9822內(nèi)部寄存器的配置
由上面的介紹可知，AD9822的各種功能模式由其內(nèi)部寄存器控制，通過三線串行接口SLOAD，SDATA，SCK對內(nèi)部寄存器寫數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)對其功能模式的配置。AD9822共有8個8 b的內(nèi)部寄存器，各寄存器的每一位控制不同的內(nèi)容。其中，配置寄存器控制芯片的工作模式和偏置電壓。MUX寄存器控制采樣通道的順序。PGA寄存器和補償寄存器各有3個，分別對紅、綠、藍3個通道做增益控制和信號補償。設(shè)計中，由FP-GA提供三線串行接口的時序及數(shù)據(jù)。
3．AD9822初始化及工作時序的實現(xiàn)
3．1 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計方法也發(fā)生了很大的變化，基于EDA技術(shù)的芯片設(shè)計已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的設(shè)計方法成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是應(yīng)用極為廣泛的一類可編程專用集成電路(ASIC)，工程師可以利用它在實驗室里設(shè)計出所需的專用集成電路，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。此外，F(xiàn)PGA還具有可重復(fù)編程和在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，這樣就極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性。本文選用Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50器件，結(jié)合ISE10．1開發(fā)工具，可以實現(xiàn)電路設(shè)計、仿真、器件編程等全部功能，開發(fā)調(diào)試靈活。
3．2 AD9822初始化設(shè)置和工作時序的實現(xiàn)
要使AD9822正常工作，需要為其提供初始化設(shè)置和驅(qū)動時序，初始化設(shè)置用于設(shè)定該芯片的工作狀態(tài)，驅(qū)動時序為A／D轉(zhuǎn)換提供正確的采樣時鐘。選用硬件編程語言VHDL設(shè)計AD9822的初始化設(shè)置和驅(qū)動時序。VHDL采用自頂向下的設(shè)計方式，具有很強的系統(tǒng)硬件描述能力和系統(tǒng)仿真能力。
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