基于CPLD的CCD信號發(fā)生器的研究

1、引言

CCD (Charge Coupled Devices)電荷藕合器件是20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體器件。目前CCD作為光電傳感器由于其具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀 等優(yōu)點以及在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實時傳輸、自掃描等特性，廣泛地應用于攝像器 材、氣象、航天航空、軍事、醫(yī)療以及工業(yè)檢測等眾多領域。

我們需要對CCD相機所獲取的大量高速圖像數據進行采集、存儲，以便做后續(xù)處理和應 用，而進行這一系列信號處理之前，目標信號的獲取及所獲信號的質量關系到調試整個相機 系統(tǒng)的關鍵。在調試相機系統(tǒng)時，由于調試的系統(tǒng)總有一些不完善的因素，同時又因為多次 的調試也會增加CCD芯片的風險成本，尤其對于比較昂貴的CCD芯片，調試中如若經常使用將 會帶來損壞的風險，因此在調試過程中對CCD芯片輸出信號的分析和模擬就成為一項極其重 要的工作。本文設計了一種基于CPLD的可編程寬頻、高精度CCD信號發(fā)生器。充分利用CPLD 的可編程性，模擬出CCD在各種復雜環(huán)境下的采集信號，同時滿足系統(tǒng)對波形和時序的要求， 輸出信號頻率達到11MHz。

2、分析CCD 輸出信號的特點

一個 CCD 信號的輸出序列由復位脈沖開始，當FET 開關閉合時，圖1 中的傳感器電容上的電壓為初始的參考電壓值，這個參考電壓值被稱為復位饋通電平。經過一定的饋通延遲時 間后，這個電壓值降低，成為真正的復位電平。此時，FET 開關打開，則像素電荷被轉移到 這個電容上，相應的改變了電容上的電壓值。這個電壓值就是參考電平、像素電平以及一些 噪聲疊加而成的。當CCD 開始工作讀取有效信號時，輸出信號在每個復位信號的上升沿時復 位，即在輸出信號上出現復位干擾脈沖1,然后回到參考電平2，開始讀取積分得來的是像元 信號3。實際像素寬度為3 的寬度，1、2、3 的寬度和為一個像素周期，每個像素的信號幅 度為2 和3 的高度差，這些都是CCD 輸出信號的重要參數。CCD 輸出的信號中包含了較大的 直流分量。直流偏置電壓是CCD 正常工作所不可缺少的，其值在幾伏到十幾伏范圍內變化， 并且只消耗幾毫安以下的電流，很容易由穩(wěn)壓電源必要時經電阻或電位器分壓以及電容濾波 得到。

3、硬件結構

整個系統(tǒng)由數字信號發(fā)生模塊、數模轉換模塊和輸出處理模塊3部分構成。選取CPLD以構成 信號發(fā)生模塊，充分利用它的可編程性，構造出CCD在各種復雜環(huán)境下的采集數據，同時生 成與數據信號相匹配的控制信號，控制下級數模轉換模塊的工作。數模轉換模塊接收上級發(fā) 送過來的數據和控制信號，在控制信號的控制下將數據轉換為模擬信號輸出。由于該模塊的 轉換輸出為電流，所以還需要增加一個轉換模塊將電流轉換為系統(tǒng)所需要的電壓信號，同時 為了滿足系統(tǒng)對信號精度的要求，還需要增加有源和無源濾波電路模塊。系統(tǒng)框圖如圖2所 示，晶振作為CPLD的時鐘信號(clk)輸入，其它的信號均由其產生。

主要工作分為以下幾個方面：

(1)信號發(fā)生模塊 利用 VHDL 語言設計CCD 輸出圖像信號和時序控制信號，輸出信號有模擬出來的數字圖 像信號(10 位并行輸出)和時序控制信號，主要包括：相關雙采樣信號，A/D 采樣所需時序 脈沖信號，行、場同步脈沖信號等。

(2)數模轉換模塊 將模擬的數字信號經由數模轉換器得到模擬信號，高速的數模轉換器件一般都是電流查 分輸出，因此需要對輸出的模擬信號進行后續(xù)處理。

(3)輸出處理模塊 對由 DAC 輸出的模擬信號，通過運放將其轉換為電壓輸出信號，并進行進一步處理得 到符合要求的CCD 輸出信號。

4、信號發(fā)生模塊CPLD 的設計

4.1選擇符合要求的CPLD

本設計采用LATTICE公司的ispLSI1032e CPLD，該芯片共有84個引腳，可用門數達6000 個，192個邏輯單元，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，64個通用I/O口，其傳輸延 時為7.5ns，最高工作率高達125MHz,可以滿足本設計的要求。該系統(tǒng)要求的輸出頻率為11MHz的相關雙采樣形式的CCD信號，并且對信號的時序有著嚴格的要求，選用66MHz的晶振，作為 CPLD的時鐘輸入。

4.2 程序設計

輸出的數字信號要提供給圖像傳感器的下一級采樣系統(tǒng)，符合一定的時序要求，采樣所 需時序脈沖信號，輸出信號有模擬CCD 輸出信號，相關雙采樣信號，故需要A/D 采行同步脈 沖信號等。信號發(fā)生模塊CPLD 部分，我們除了需要產生所有的數字信號之外，還需要為下 一部分的數模轉換模塊準備好需要的數據和D/A 時鐘時序。

在利用 VHDL 語言在isp 環(huán)境下編程、仿真、調試，得到幾幅模擬灰度圖像和行、場同 步信號。輸出信號有數字圖像信號(10 位并行輸出)，D/A 的時鐘信號(clock1)和寫信號 (wrt)，相關雙采樣信號，行、場同步脈沖信號等。輸入時鐘信號(clk)為66MHz，行同步信 號row 用來保證輸出像元的同步。 它的輸出作為模擬CCD 數據產生和D/A 轉換控制模塊的時鐘輸入。模擬CCD 數據產生 模塊輸出的方波信號ccdout[9..0]，經過DAC 變換后，生成CCD 的模擬輸出信號。

D/A 轉 換控制模塊生成DAC 的寫信號WR 和時鐘信號CLK，要求D/A 在數據ccdout[9：0]的一個周 期內采樣轉換高低電平各一次，需要wrt 和clock1 在ccdout[9..0]的高低電平處分別采樣, 為保證clock1 與wrt 信號的相位關系，令wrt 信號在clk 的上升沿變換，clock1 信號在clk 的下降沿變換，這樣就產生了我們所需要的數據和控制信號。

4.3 仿真結果

本設計實現了采用VHDL硬件編程語言和CPLD產生系統(tǒng)的數據源信號，包括模擬CCD輸出 的模擬信號產生前的一組數字信號和用于下一級所需要的的控制時序，保證了系統(tǒng)輸出信號 的速度和相位關系。如圖3的仿真波形所示，ccdout[9..0]為模擬的圖像信號，shp、shd為 相關雙采樣信號，clock1、wrt為下一級數模轉換模塊D/A的控制信號。參考脈沖shp和視頻 脈沖shd在一個像元間隔分別采樣一次，最終輸出信號為采集到的參考電平與視頻電平之間 的差值，采用相關雙采樣技術可以濾除疊加在輸出信號上的復位噪聲。

5、數模轉換及輸出處理模塊

選用DAC2900 作為數模轉換器，將模擬的灰度圖像經數模轉換得到的模擬信號。DAC2900 是TI 公司生產的10 位高速D/A 器件，DAC2900 采用單一電源工作，電源范圍為3.3-5V， DAC2900 是電流輸出數模轉換器，它提供差分電流輸出，可支持單端或查分應用。兩個輸出 電流的匹配確保在差分輸出結構中提高其動態(tài)性能，電流輸出可直接與輸出電阻相接，提供 兩個互補的單端電壓輸出，也可直接輸入變壓器。

DAC2900的模擬信號輸出可以采取單端輸出方式或者差分輸出方式。單端輸出方式連接 比較簡單，但抗噪性能差，所以采取差分輸出方式，以盡量減少信號噪聲以及電磁的干擾。

尤其是采用差分輸出方式可以將所有偶次諧波通過正反兩個輸入信號基本上互相抵消。

DAC2900芯片資料提供的原理圖如圖4所示，配置方案的參考公式如下：

V 為DAC2900內部+1.25V基準電壓， SET R 為DAC2900從外部引入的配置電阻值，由公 式(1)可知，可以通過設定該電阻值來調節(jié)OUTFS I ,由公式(2)得出，從而可以控制電壓OUT V 的大小。本系統(tǒng)SET R 取值為2K Ω ，可以得到20mA的滿量程輸出。系統(tǒng)要求轉換電壓范圍為 0-500mV，則輸出電阻F R 取值為25 Ω ，滿足系統(tǒng)要求。利用CADENCE軟件實現PCB設計，原 理圖如圖5所示：

6、提高信號精度

經過上述的數字的信號生成，數模轉換及轉換，基本上可以得到所需要的頻率為11 MHz 的信號波形。信號上疊加了很多的高頻噪聲，無法滿足下級采樣系統(tǒng)對低噪聲的要求。因此 需要從PCB的布局、布線及器件的配置等多個角度人手，對信號進行改進，把噪聲限制在10 mV 以下，主要從以下三方面來提升系統(tǒng)性能，抑制噪聲：

(1)電源濾波部分。電源噪聲的危害最大，通過對電源部分增加濾波電路來濾除電源 噪聲，同時因為大旁路電容可能因諧振而失效，所以在電路板上布置了一些比較小的旁路電 容陣列，CPLD器件的每個供電電壓管腳都要外接0.1μ ，電容來進行濾波。

(2)由于系統(tǒng)工作在較高的頻率，所以要考慮到信號的完整性問題，即解決信號的反 射及信號之間的串擾問題。選取串聯端接的方法，并且將匹配電阻盡量靠近信號發(fā)送端。同 時將設計完成的PCB圖導入CADENCE軟件進行仿真，確定最佳的串聯電阻值，實際系統(tǒng)通過串 聯匹配電阻后，信號的過沖和振鈴現象得到了有效的消除。

(3)增加模擬一階有源濾波電路。通過示波器發(fā)現生成信號上疊加有高頻噪聲，為了 濾除該噪聲，選用OPA680放大器構成有源低通濾波電路。通過調節(jié)器件參數來改變?yōu)V波器的 低通頻率范圍，大大方便了系統(tǒng)調試，有效的濾除了高頻噪聲。在接插件管腳增加RC低通濾 波電路，實際證明對提高信號質量有一定的改善作用。 7、結束語 編譯仿真通過后，在頂層用原理圖進行綜合實現，然后燒入芯片進行實驗，并根據實際 運行情況，對設計進行改進。如根據實際器件的延時特性.在設計中某些地方插入適當的延 遲單元以保證各時延一致。本設計完成了CCD 輸出信號仿真,并給出最終仿真波形。我們對 設計的信號發(fā)生器在不同配置數據下的輸出信號進行了測試，信號的波形和信噪比都完全能 達到系統(tǒng)所要求的性能指標，從而表明該設計方案是行之有效的。