FPGA控制下面陣CCD時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

摘要 在分析Sony公司ICX098BQ面陣CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的基礎(chǔ)上，對(duì)可調(diào)節(jié)曝光時(shí)間的CCD時(shí)序發(fā)生器及其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用FPGA器件作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用VHDL語(yǔ)言對(duì)時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了硬件描述。采用QuartusII 8.0對(duì)所設(shè)計(jì)的時(shí)序發(fā)生器進(jìn)行了功能仿真，并以Altera公司的可編程邏輯器件為核心進(jìn)行硬件適配。實(shí)際測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器能夠滿足面陣CCD的驅(qū)動(dòng)要求。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。
關(guān)鍵詞 面陣CCD；FPGA；時(shí)序發(fā)生器

CCD是利用光電轉(zhuǎn)換原理把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把一幅按空間域分布的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換成為一串按時(shí)間域分布的視頻信號(hào)的半導(dǎo)體元器件。因其具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、自掃描和便于同計(jì)算機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸式測(cè)量。CCD應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，是驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)。它直接關(guān)系到CCD的信號(hào)處理能力、轉(zhuǎn)換效率和信噪比等光電轉(zhuǎn)換特征。針對(duì)Sony公司面陣CCD ICX098BQ的工作原理和驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求，給出了驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的具體設(shè)計(jì)，使用VHDL語(yǔ)言對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了硬件描述，采用Quartus II 8．0對(duì)所設(shè)計(jì)的時(shí)序發(fā)生器進(jìn)行了功能仿真，在該驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器作用下，對(duì)Sony公司ICX98BQ面陣CCD產(chǎn)生的輸出信號(hào)波形進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 CCD成像系統(tǒng)
CCD成像系統(tǒng)如圖1所示，目標(biāo)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD上。在偏置電壓和驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，CCD完成光電荷的轉(zhuǎn)移、存貯等工作，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有直流分量的模擬電信號(hào)。形成的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理器，進(jìn)行除噪、增益和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器或計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行后期處理。在上述系統(tǒng)中，CCD信號(hào)采集模塊是關(guān)鍵。對(duì)此，主要對(duì)CCD信號(hào)采集進(jìn)行分析。

2 面陣CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析
2．1 Sony ICX098BQ型面陣CCD
ICX098BQ是Sony公司生產(chǎn)的一款1／4英寸(0．635 cm)，具有可變電子快門的行間轉(zhuǎn)移型彩色面陣CCD芯片，芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片靈敏度高，暗電流小，具有較好的抗彌散功能。

ICX098BQ芯片由感光陣列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和輸出放大器4個(gè)主要部分組成。要使該CCD芯片正常工作，需要8路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)。分別為4路垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘Vφ1、Vφ2A、Vφ2B、Vφ3，控制垂直移位寄存器中的電荷信號(hào)向水平移位寄存器移動(dòng)，其中當(dāng)Vφ2A和Vφ2B為+15 V高電平時(shí)作為讀出轉(zhuǎn)移時(shí)鐘，將感光陣列的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器中；兩路水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘Hφ1、Hφ2，控制水平移位寄存器中的電荷信號(hào)向前遷移；復(fù)位門時(shí)鐘RG，使水平移位寄存器中的電荷信號(hào)順利輸出，其頻率為10 MHz，直接決定CCD電荷信號(hào)的水平輸出頻率并控制曝光量的電子快門時(shí)鐘φSUB。
上述驅(qū)動(dòng)信號(hào)均由CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生。由于面陣CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量多，相位要求嚴(yán)格，且需要多種電壓的驅(qū)動(dòng)，因此進(jìn)行時(shí)序分析并設(shè)計(jì)出高精度的驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路是問(wèn)題的關(guān)鍵。