基于ccd圖像傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計

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1、基于CCD圖像傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計摘要：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?！　￡P(guān)鍵詞：CCD驅(qū)動時序放大器　　　　1引言　　電荷耦合器件(CCD)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。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(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

2、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[1]。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?！　?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

3、，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，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(qiáng)弱的電信號或標(biāo)準(zhǔn)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?，線陣CCD可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。　　3驅(qū)動電路的實現(xiàn)　　圖像傳感器TCD1501C的主要技術(shù)指標(biāo)如下：像敏單元數(shù)為5000；像元尺寸為7μm×7μm；像元中心距為7μm；像元總長為35mm；光譜響應(yīng)范圍為400nm-1000nm．光譜響應(yīng)峰值波長為550nm，靈敏度為10.4V／lx.s～15.6V／lx

4、.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(jìn)行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換[2]。最后驅(qū)動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息?！　?.1基于VHDL的驅(qū)動時序設(shè)計　　本部分的設(shè)計是基于Xilinx公司的CPLDXC9572一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。CCD為容性負(fù)載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要

5、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、采樣脈沖SP，以及二相時鐘脈沖Φ1E、Φ2E等各路驅(qū)動脈沖采用74HC14進(jìn)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(bǔ)償信號DOS。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5076個時鐘脈沖，即TSH=5076×Φ1E0.1μs，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

6、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(yùn)用CCD器件的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)?！　?.2基于AD623的CCD輸出信號差分驅(qū)動設(shè)計　　CCD在驅(qū)動脈沖的作用下，經(jīng)移位寄存器順序輸出視頻信號，復(fù)位脈沖RS每復(fù)位一次，CCD輸出一個光脈沖信號。差分信號測量電路里差模和共模電壓，VDIFF是信號差模電壓，VCM是信號共模電壓，信號輸出VO

7、UT=R2/R1·VDIFF=G·VDIFF理想狀態(tài)下，一般差模增益G≥1，而共模增益(％mismatch／100)×G／(G+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是電阻不匹配的函數(shù)，在實際測量電路中可能會由于電阻值的微小不匹配而導(dǎo)致兩個輸入端的共模電壓不一致，而使電路的直流共模增益不為零。共模抑制比(CMRR)就是差模增益G與共模增益的比值[3]。用對數(shù)形式表示：201g[(100／％mismatch)×(G+1)]。實際工程應(yīng)用中，電路工作在一個很大的噪聲源中，如50Hz交流電源線的噪聲、設(shè)備的開關(guān)噪聲、無線

8、信號的傳輸噪聲，這些干擾信號作用在差分輸入端，將會在輸出端產(chǎn)生一個共模信號，因此差分信號處理除了要求有高的DCCMRR．還要有高的ACCMRR。　　圖2CCD的OS端和DOS端輸出波形　　在電路設(shè)計中選用了ADI公司的儀器儀表放大器AD623。AD623集成了3路運(yùn)放，將視頻信號及其補(bǔ)償輸出分別送至AD623的反相和同相輸入端．在AD623的輸出端接一級射極