CCD相機(jī)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

項(xiàng)勤建,劉 爽,龍?jiān)俅?/p>

摘 要:目前,線陣CCD圖像傳感器的種類很多,驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法也是多種多樣。CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵,只有設(shè)計(jì)出符合要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,CCD器件才能穩(wěn)定可靠的工作。常用的驅(qū)動(dòng)方法存在某些缺點(diǎn)。在詳細(xì)了解線陣CCD器件μPD795,分析其驅(qū)動(dòng)時(shí)序與電路邏輯后,沒有使用常規(guī)方法,而是使用CPLD進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。該方法采用CPLD產(chǎn)生驅(qū)動(dòng),按要求寫好VHDL代碼產(chǎn)生可執(zhí)行文件,通過JTAG接口下載到可編程器件中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路穩(wěn)定可靠,在線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路中具有一定的代表性。

關(guān)鍵詞:CPLD;線陣CCD;驅(qū)動(dòng)電路;圖像傳感器

中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-187-03

Design of Drive Circuit for CCD Camera System

XIANG Qinjian1,LIU Shuang1,LONG Zaichuan2

(1.College of Optoelectronic Information,University of Electronics Science and Technology of China,Chengdu,610054,China;

2.Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing,400060,China)

Abstract:At present,there are many different types in linear array CCD image sensor,and the timing-driven method is multiplex.The design of drive circuit is the key for application of CCD.Only to design right timing-pulse can CCD device work stably and reliably.There are some shortcomings in the routine driven approach.For linear CCD μPD795,after analysing the timing-pulse and Circuit logic,using the CPLD for the functional realization.This method does not use the routine approach but use CPLD to create pulse.VHDL code is written and then the operational file is produced,through the JTAG interface downloaded to programmable devices.The experimental results show that the circuit is stable and reliable.It is representative in linear array CCD circuit driver.

Keywords:CPLD;linear CCD;driving circuit;image sensor

0 引 言

電荷耦合器件(CCD)是一種轉(zhuǎn)換式圖像傳感器[1],是以電荷作為信號(hào)的MOS型半導(dǎo)體器件。其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的 MOS電容器,能夠存儲(chǔ)由入射光在CCD光敏單元激發(fā)而產(chǎn)生的電荷,并且能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下,把存儲(chǔ)的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移,從而完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。CCD具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等特點(diǎn),在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等方面的優(yōu)越性也是很多其他器件無法比擬的,目前CCD器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各種各樣的成像系統(tǒng)中,成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中最活躍的傳感器之一。

電荷耦合器件不同于普通的MOS型半導(dǎo)體器件,它需要在較復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)脈沖下才能正常工作。在CCD應(yīng)用技術(shù)中,用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì),是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一[2]。產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序的方法多種多樣,常用的有下面幾種:EPROM方法、直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法、單片機(jī)、專用IC等,各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于CPLD[3]的集成度高,在速度和時(shí)序控制上具有較大的優(yōu)勢(shì),而且在電路設(shè)計(jì)完成后,可以根據(jù)需要將CPLD邏輯重新編程,因此選用CPLD來設(shè)計(jì)CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是一種不錯(cuò)的選擇。目前,大多數(shù)CCD工作時(shí)序設(shè)計(jì)都是采用CPLD來實(shí)現(xiàn)和完成的[4]。

1 μPD795結(jié)構(gòu)原理及驅(qū)動(dòng)時(shí)序

1.1 μPD795結(jié)構(gòu)原理

μPD795是NEC公司生產(chǎn)的高靈敏度、低暗電流、具有內(nèi)置放大電路和采樣保持電路的線陣CCD圖像傳感器[5]。它內(nèi)部包含一列1 024像元的光敏二極管和兩列525位的電荷轉(zhuǎn)移寄存器?？梢怨ぷ髟? V驅(qū)動(dòng)(脈沖)和12 V電源條件下。同時(shí)μPD795具有出色的光電特性,很高的轉(zhuǎn)移效率,達(dá)到了99.996%。主要由三個(gè)模塊組成:表面積分單元,用于產(chǎn)生電荷信號(hào);CCD移位寄存器,用于電荷信號(hào)轉(zhuǎn)移;輸出放大器,將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,封裝形式為20腳DIP。中間一排是由光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列,有效單元為1 024位,其作用是接收外界的光信號(hào),并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號(hào),光敏陣列兩側(cè)分別為轉(zhuǎn)移柵和電荷轉(zhuǎn)移寄存器,在傳輸門時(shí)鐘信號(hào)ФTGO的作用下,像元的光電信號(hào)分別轉(zhuǎn)移到位于其兩側(cè)的CCD轉(zhuǎn)移柵。而后CCD的MOS電容中的電荷信號(hào)在ФIO的作用下從輸出端口串行輸出。

圖1 μPD795結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析

CCD器件需要三路以上的驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖。各驅(qū)動(dòng)脈沖必須嚴(yán)格滿足相位時(shí)序要求,才能保證CCD器件正常工作。該芯片正常工作需要四路脈沖,分別為電荷轉(zhuǎn)移寄存器時(shí)鐘ΦIO、復(fù)位時(shí)鐘ΦRO、采樣保持時(shí)鐘ΦSHO以及傳輸門時(shí)鐘ΦTGO。他們之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。

圖2 μPD795的驅(qū)動(dòng)程序

CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是一組周期性且關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào),它是影響CCD器件的信號(hào)處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個(gè)重要因素[6]。常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有以下幾種方法:面陣CCD通常采用相應(yīng)的專用驅(qū)動(dòng)IC,但是難以調(diào)試,而且無法適應(yīng)于其他CCD器件;線陣CCD可采用數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng),或者選用可編程邏輯器件針對(duì)特定器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求完成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[7]。為了使CCD器件在各種光強(qiáng)信號(hào)下正常工作,需要設(shè)置不同的積分時(shí)間和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖,傳統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)脈沖無法滿足工作要求,必須設(shè)計(jì)一種可提供多種驅(qū)動(dòng)脈沖的電路。

2 系統(tǒng)框圖

整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)可以分為四個(gè)部分;如圖3所示,包括脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制與分頻電路以及脈寬調(diào)制電路。脈沖發(fā)生電路可由74LS00和7.5 MHz的晶振以及相應(yīng)的阻容電路組成,該部分相對(duì)簡(jiǎn)單,電阻和電容的數(shù)目也不多。分頻電路可選用D觸發(fā)器/JK觸發(fā)器,如74LS(HC)74,74LS(HC)76,均帶置位、清零端,較易控制;采用同步計(jì)數(shù)器74LS163實(shí)現(xiàn)邏輯功能,該計(jì)數(shù)器為四位二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器。當(dāng)然也可以采用82C54(10MHz可編程)?？刂齐娐酚搔蘌D4011,μPD4012,μPD4013以及74LS27組成。μPD4011作為外部控制信號(hào)可以起到調(diào)整頻率的作用。脈寬調(diào)制電路由與非門、或非門和帶有直接清零功能的二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器組成。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖

3 驅(qū)動(dòng)電路

CCD圖像傳感器的驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)言之就是通過驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生CCD正常工作所需的特定脈沖[8]。為了產(chǎn)生如圖2所示的各路驅(qū)動(dòng)脈沖以及滿足傳感器的小型化和工作速度的要求,采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)其邏輯功能是一個(gè)較好的選擇。CPLD是基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算,全硬件結(jié)構(gòu),具有極大的靈活性和通用性,使用方便,硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷,開發(fā)效率高,成本低,上市時(shí)間短,技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單,工作可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[9]。在該設(shè)計(jì)中,μPD795所需的驅(qū)動(dòng)脈沖是在Max+PlusⅡ環(huán)境下完成設(shè)計(jì)并編譯、校驗(yàn)后在線下載到CPLD器件內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)邏輯功能。實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該例中的驅(qū)動(dòng)電路并不復(fù)雜,所用的器件也有限。但若驅(qū)動(dòng)脈沖種數(shù)繼續(xù)增加,則電路的復(fù)雜程度也要成比例增加[10]。該設(shè)計(jì)中采用EPM7064SLC44-7,該芯片由64個(gè)宏單元組成,是Altera公司生產(chǎn)的MAX7000S系列中芯片的一種,可以實(shí)現(xiàn)在線編程。在Max+PlusⅡ環(huán)境下進(jìn)行了仿真,得到了滿意的結(jié)果后進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)制作PCB板用示波器和邏輯分析儀進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)量檔位為2 μs,測(cè)量CCD驅(qū)動(dòng)波形ΦIO,ΦRO,ΦSHO如圖5所示?？v坐標(biāo)中低電平為0 V,高電平為5 V。

圖4 CCD驅(qū)動(dòng)電路原理結(jié)構(gòu)圖

圖5 驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)測(cè)波形圖

5 結(jié) 語

時(shí)序電路中的CPLD,除提供CCD正常工作所需的時(shí)序外,還保留了部分引腳和功能模塊,可以作為增加某些新功能的需要。從該驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)處理單元及上位機(jī)和顯示器構(gòu)成的完整線陣CCD相機(jī)系統(tǒng),以及從實(shí)測(cè)波形數(shù)據(jù)來看。該驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)際使用中穩(wěn)定可靠,達(dá)到了設(shè)計(jì)前的要求,這說明用CPLD構(gòu)成線陣CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是一種切實(shí)可行的方案。

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