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(lái)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(guò)vhdl程序靈活設(shè)置．該電路已成功開(kāi)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(guò)濾波、放大處理，通過(guò)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?，線陣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。

3．1 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(kāi)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(jiàn)，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。