基于FPGA的行間轉移面陣CCD驅動(dòng)電路設計

1、引言

電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉換式圖像傳感器，它將圖像信號直接轉換成電信號。由于CCD具有集成度高、低功耗、低噪聲、測量精度高、壽命長(cháng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在精密測量、非接觸無(wú)損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應用［1］。面陣列CCD成像器件分為全幀轉移（FullFrame）CCD、幀轉移（Frame.Transfer）CCD、行間轉移（InterlineTransfer）CCD三種類(lèi)型。行間轉移CCD中的成像區與存儲區呈列交錯，因此不需要機械快門(mén)，速度最快且能連續成像；同時(shí)在真正的成品中，會(huì )在每個(gè)像素上加微透鏡從而彌補了填充因子小的缺點(diǎn)。典型的消費級的相機，一般用的都是行間轉移CCD。

CCD器件需要驅動(dòng)脈沖信號才能正常工作，而驅動(dòng)電路就為CCD提供所需的時(shí)序邏輯和相關(guān)的電壓信號，所以驅動(dòng)電路的研制就顯得十分的重要。CCD的驅動(dòng)電路主要由供電模塊、驅動(dòng)器電路和驅動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生電路三部分組成。常用的幾種CCD驅動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法包括：中小規模數字邏輯電路驅動(dòng)方法、使用只讀存儲器方法、微處理器或數字信號處理器（DSP）、使用可編程邏輯器件，CPLD或FPGA等。本文中驅動(dòng)時(shí)序采用第三種方法可編程邏輯器件FPGA來(lái)實(shí)現。

2、KodakCCDKAI-0340簡(jiǎn)介

KAI-0340是Kodak公司生產(chǎn)的一款行間轉移型面陣CCD，單（雙）通道輸出可選擇（本文中選用單通道輸出模式）。主要的性能參數如下：

具有以下特征：

·水平、垂直均為兩相驅動(dòng)，其中一相垂直轉移時(shí)鐘為三電平

·電子快門(mén)

·低暗電流、高靈敏度

·每行左右兩端各有24個(gè)暗像元，可以作為暗電平參考

3、CCD供電模塊

為了保證CCDKAI-0340S正常工作，需要的驅動(dòng)電壓和直流偏置電壓具體要求如表1所示。

對表1進(jìn)行分析可知：只需+15V和-9V兩組電壓就可實(shí)現對CCD的基本偏置；H1、H2水平移位驅動(dòng)工作電壓峰峰值為5V（-5V~0V），R復位驅動(dòng)的工作電壓峰峰值也為5V（-3V~+2V），因此取+5V作為水平和復位驅動(dòng)時(shí)鐘的工作電壓；V1垂直轉移的工作電壓9V（-9V~0V），V2為三電平（-9V、0V、+9V），從而取±9V作為垂直驅動(dòng)時(shí)鐘的工作電壓；電子快門(mén)脈沖電壓為VAB~VAB+40V（峰峰值為40V），需要±20V電路來(lái)實(shí)現。同時(shí)結合整個(gè)CCD成像系統供電需求，得出所需電壓電平種類(lèi)為：+3.3V，+5V，±9V，+10V，+15V，±20V。為了提高系統的電源效率，設定整個(gè)供電系統的外部輸入電壓為三種：+5V，-10V，+15V。+9V、+10V和+3.3V電壓通過(guò)集成穩壓器LT1764EQ和LT1764EQ-3.3來(lái)實(shí)現；-9V通過(guò)-10V電壓分壓得到；產(chǎn)生電子快門(mén)高壓脈沖所需±20V電源采用±10V脈沖倍壓電路實(shí)現，具體電路的原理圖如圖1所示［2］。經(jīng)實(shí)際應用表明，電源模塊滿(mǎn)足各功能電路所需電壓及功耗。


　4、驅動(dòng)器電路

面陣CCDKAI-0340S的驅動(dòng)時(shí)鐘分為水平移位時(shí)鐘、復位時(shí)鐘、垂直轉移時(shí)鐘、電子快門(mén)時(shí)鐘四種，需要的驅動(dòng)電壓具體要求見(jiàn)表1。

CCD在單端輸出模式下，水平移位時(shí)鐘對應圖像傳感器的管腳連接如下：H1=H1S（5）+H1BL（4）+H2BR（9）;H2=H2S（7）+H2BL（3）+H1BL（8）。H1，H2，R共用一片74AC04驅動(dòng)器，每個(gè)時(shí)鐘使用兩個(gè)門(mén)驅動(dòng)，再配合濾波電容和鉗位電路便可以實(shí)現對面陣CCD的水平和復位驅動(dòng)。

垂直轉移需要V1、V2兩相驅動(dòng)時(shí)鐘，其中V2為三電平，因為FPGA產(chǎn)生的信號只有‘0’和‘1’兩種狀態(tài)，所以需要將信號V2分解成V2HM和V2ML兩個(gè)信號。V1通過(guò)一片EL7212進(jìn)行驅動(dòng)，配合濾波電容和鉗位電路實(shí)現。

V2驅動(dòng)器選用一片MAX4426，通過(guò)V2HM控制其電源端（將V2HM反向）。當V2HM為高的時(shí)候，MAX4426產(chǎn)生峰峰值9V的輸出信號，當V2HM由高變低時(shí)，MAX4426的電源端被升到18V，從而產(chǎn)生出滿(mǎn)足要求的三電平信號V2。電子快門(mén)脈沖電壓為VAB~VAB+40V（峰峰值為40V），使用分立元件產(chǎn)生，具體電路的原理圖如圖2所示。


5、CCD驅動(dòng)時(shí)序設計

KAI-0340S工作需要6路驅動(dòng)信號：分別是兩相水平移位寄存器時(shí)鐘H1、H2；復位脈沖時(shí)鐘RL；兩相垂直轉移時(shí)鐘V1、V2（分解成V2HM和V2ML）；電子快門(mén)時(shí)鐘SUB。CCD成像的一個(gè)工作周期分三個(gè)階段：曝光階段，行間轉移階段和水平移位階段。CCD工作時(shí)，首先底層出現電子快門(mén)脈沖將光敏區的電荷清除，電子快門(mén)脈沖之后開(kāi)始圖像信號積分階段，積分完成后V2上的高電平把光敏區的包含圖像信息的電荷包轉移到擋光的垂直CCD上，接下來(lái)通過(guò)V1和V2的互補時(shí)鐘逐行把垂直CCD中的電荷包轉移到水平CCD上，再通過(guò)H1和H2的互補時(shí)鐘逐個(gè)把水平CCD上的電荷包轉移到浮置擴散輸出節點(diǎn)，進(jìn)行電荷測量供后續電路處理，同時(shí)CCD又可進(jìn)行下一幀圖像的曝光。KAI-0340S的詳細驅動(dòng)時(shí)序關(guān)系參見(jiàn)其使用說(shuō)明書(shū)。其中實(shí)現H1和H2部分程序如下：

本文選用的FPGA是Xilinx公司的XC2S150，一共有150，000個(gè)邏輯門(mén)，滿(mǎn)足整個(gè)系統的所有需求；采用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行邏輯設計，用ModelSim仿真，關(guān)鍵部分的波形見(jiàn)圖3。


6、結論

本文的創(chuàng )新是：先將V2三電平進(jìn)行分解，之后巧妙地利用兩個(gè)驅動(dòng)器和鉗位電路來(lái)實(shí)現三電平階梯波形的時(shí)序驅動(dòng)；采用FPGA器件來(lái)設計行間轉移面陣CCD驅動(dòng)時(shí)序。系統設計完成后，由示波器測試各路輸出的驅動(dòng)信號，所顯示的波形與仿真波形一致，得到令人滿(mǎn)意的結果。因此本文的驅動(dòng)電路設計方案能夠滿(mǎn)足的KAI-0340的性能要求，可以用來(lái)驅動(dòng)行間轉移型面陣CCDKAI-0340S。