基于CPLD的CCD驱动时序设计(2)

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1.1应用背景

电荷耦合器件(CCD)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。近几十年来,电荷耦合器件CCD在图像传感、信号处理、数字存储等领域取得了重大发展。CCD作为一种图像传感器,与传统的摄像器件相比,不仅具有光谱响应宽、线性好、动态范围宽、噪声低、灵敏度高、控制方便、实时传输和电荷自扫描等多方面的优良特点,而且还具有很高的空间分辨率,目前已广泛应用于遥感成像、卫星监测、景物识别、图文传真、文档扫描等领域。

CCD由于精度高、分辨率高、性能稳定、功耗低、寿命长等特点,广泛应用于图像传感和非接触测量领域[5]。在CCD应用技术中,其赖以正常工作的驱动信号的产生电路比较复杂,驱动电路的设计也就成为其应用中的关键问题之一。由于不同厂家生产的CCD其驱动时序不尽相同,而同一厂家的不同型号的CCD其驱动时序也不完全一样,使CCD的驱动电路很难规范化、产品化。因此,许多CCD用户必须面对与不同CCD的相关驱动电路的设计问题。

1.2 可编程逻辑器件CPLD/FPGA技术的优点

CCD的外围电路比较复杂，往往给使用者带来不便，特别是驱动时序电路的实现，这是CCD应用的关键问题。早期的CCD驱动电路几乎全部是由普通数字电路芯片实现的，由于需要复杂的三相或四相交迭脉冲，一般整个驱动电路需要20个芯片左右，体积较大，设计也复杂，偏重于硬件的实现，调试困难，灵活性较差。特别是当驱动电路工作在较高频率时干扰问题严重，系统工作不稳定。除了数字电路芯片实现驱动方法外，还有单片机驱动方式，在这种设计方法中，硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷[6]。本文给出了一种基于可编程逻辑器件CPLD/FPGA技术的线阵CCD驱动电路的设计方案。该方法开发周期短，并且驱动信号稳定、可靠。通过计算机仿真和实际电路测试结果表明，其可以很好地解决以往CCD驱动电路中存在的缺陷，具有重要的实用价值。CCD时序脉冲信号是一组周期性的、关系比较复杂的脉冲信号,它是影响CCD器件的信号处理能力、转移效率、信噪比等性能的一个重要因素[7]。

1.3 本课题研究的内容和意义

本论文的主要研究内容是线阵CCD驱动时序、驱动电路和数据信号处理电路的设计。具体内容包括以下几个方面

（1）基于CPLD/FPGA的时序电路的设计

所需要的驱动时序脉冲和后续电路所需要的各种控制信号可以通过多种途径产生，在本课题中采用CPLD/FPGA技术，实现各时序信号的产生。依据器件对驱动波形的要求和对光电转换传感速率及信号输出速率的要求，设计时钟脉冲的波形和变化速率，并使各波形之间的逻辑关系、相位关系与所要求的信号波形一致。同时提供相关双采样需要的控制脉冲、模数转换所需的采样时钟。

（2）驱动电路的设计

驱动电路的基本功能是将输入的TTL电平的多路时钟信号转换成驱动CCD正常工作所要求的多路时钟信号，并为提供多种直流偏置。

驱动电路的实现可以选用分离元件驱动电路，也可以选用专用集成驱动电路。本课题中采用专用CCD驱动集成电路实现电平转换、波形改造和驱动功率的提高。

（3）视频信号处理电路的设计

视频信号处理电路的功能是对CCD输出的模拟视频进行信号处理和模数转换，将数字图像信号通过并行接口传输给数据采集卡处理。

CCD探测器的基本功能是完成光信号电荷包的产生、存储、转移和输出，要想完成这一系列工作，必须要在外围驱动电路的驱动下才能实现。对于面阵CCD，驱动电路从功能上可以分为以下几部分：（1）时序脉冲产生电路；（2）垂直驱动电路；（3）水平驱动电路；（4）输出信号预处理电路，包括相关双采样，可控增益放大，模数转换电路。而对于线阵CCD，驱动电路主要有：（1）时序脉冲产生电路；（2）水平驱动电路信号；（3）输出信号预处理电路。其中信号预处理电路也叫前后端电路，它起连接前端电路和后端图像处理电路的桥梁作用，主要功能是对输出的视频模拟信号进行消噪、放大和模数转换等信号预处理。时序脉冲产生电路是整个驱动电路设计的关键所在。它不仅负责产生正常工作所需的驱动时序，而且信号预处理电路也需要由它来提供一些控制信号，比如嵌位和采样等脉冲补偿信号，同时后续的图像处理、压缩、存储等工作都必须与前端光信息、采集和转移输出的过程同步进行，这样就需要时序脉补，产生电路来产生同步控制逻辑时序来进行协调工作[8]。