線陣CCD圖像傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計

　　1 引言

　　電荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device)是20世紀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、尺寸測量及定位測控等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛.CCD應(yīng)用的前端驅(qū)動電路成本價格昂貴，而且性能指標受到生產(chǎn)廠家技術(shù)和工藝水平的制約.給用戶帶來很大的不便。CCD驅(qū)動器有兩種：一種是在脈沖作用下CCD器件輸出模擬信號，經(jīng)后端增益調(diào)整電路進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攝像機就指后者，外加機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)指標要求.選擇不同型號的線陣CCD器件，設(shè)計方便靈活的驅(qū)動電路與之匹配是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)動電路的設(shè)計.驅(qū)動時序參數(shù)可以通過VHDL程序靈活設(shè)置.該電路已成功開發(fā)并應(yīng)用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。

　　2 CCD工作原理

　　CCD是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的 產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時.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，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號?；谏鲜鰧⒁痪S光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑恚€陣CCD可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。圖1為CCD光譜響應(yīng)曲線。

　　3 驅(qū)動電路的實現(xiàn)

　　線陣CCD TCD1501C的主要技術(shù)指標如下：像敏單元數(shù)為5 000;像元尺寸為7μm×7μm;像元中心距為7μm;像元總長為35 mm;光譜響應(yīng)范圍為400 nm-1000 nm.光譜響應(yīng)峰值波長為550 nm，靈敏度為10.4 V/lx.s～15.6 V/lx.s。使CCD芯片正常工作的驅(qū)動電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時序脈沖.二是對CCD輸出的原始模擬信號進行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換.最后驅(qū)動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

　　3.1 基于VHDL的驅(qū)動時序設(shè)計

　　本部分設(shè)計是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)的。CCD器件需要復(fù)雜的三相或四相交疊驅(qū)動脈沖，多數(shù)面陣CCD都是三相或四相驅(qū)動，多數(shù)線陣CCD都是二相驅(qū)動。本文以二相線陣CCD圖像傳感器TCD1501C為例，實現(xiàn)了用CPLD完成的驅(qū)動電路設(shè)計。CCD為容性負載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要對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，以及二相時鐘脈沖中Φ1E、Φ2E等各路驅(qū)動脈沖采用74HC14進行整形和驅(qū)動能力的放大.然后再送至TCD1501C器件的相應(yīng)輸入端，在CCD的模擬信號輸出端將得到信號0S和補償信號DOS。TCD1501C典型的最佳工作頻率是1MHz，該器件具有5 000個有效像元輸出。TCDl501C正常工作時要有76個啞像元輸出.一個掃描行周期內(nèi)至少應(yīng)包含有5 076個時鐘脈沖，即TSH>5076×Φ1E 0.1μs，在本設(shè)計中TSH=5200×Φ1E。由此可見，改變時鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時鐘脈沖數(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器件的實際應(yīng)用環(huán)境靈活運用CCD器件的優(yōu)點以改變光積分時間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉(zhuǎn)移損失率。CCD驅(qū)動脈沖的頻率應(yīng)盡可能小。驅(qū)動脈沖的頻率降低時，可以在示波器上觀察到CCD輸出信號幅值明顯增強。圖2所示為CCD工作波形。