基于μPD795的CCD相機系統中驅動(dòng)電路的設計

　　0 引 言

　　電荷耦合器件(CCD)是一種轉換式圖像傳感器，是以電荷作為信號的MOS型半導體器件。其基本結構是一種密排的MOS電容器，能夠存儲由入射光在CCD光敏單元激發(fā)而產(chǎn)生的電荷，并且能在適當的時(shí)鐘脈沖驅動(dòng)下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉移，從而完成從光信號到電信號的轉換。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(wú)法比擬的，目前CCD器件已經(jīng)廣泛地應用到各種各樣的成像系統中，成為現代電子學(xué)和現代測試技術(shù)中最活躍的傳感器之一。

　　電荷耦合器件不同于普通的MOS型半導體器件，它需要在較復雜的驅動(dòng)脈沖下才能正常工作。在CCD應用技術(shù)中，用于產(chǎn)生CCD驅動(dòng)時(shí)序的設計，是CCD數據采集電路設計的關(guān)鍵之一。產(chǎn)生驅動(dòng)時(shí)序的方法多種多樣，常用的有下面幾種：EPROM方法、直接數字電路驅動(dòng)方法、單片機、專(zhuān)用IC等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于CPLD的集成度高，在速度和時(shí)序控制上具有較大的優(yōu)勢，而且在電路設計完成后，可以根據需要將CPLD邏輯重新編程，因此選用CPLD來(lái)設計CCD的驅動(dòng)時(shí)序是一種不錯的選擇。目前，大多數CCD工作時(shí)序設計都是采用CPLD來(lái)實(shí)現和完成的。

　　1μPD795結構原理及驅動(dòng)時(shí)序

　　1．1 μPD795結構原理

　　μPD795是NEC公司生產(chǎn)的高靈敏度、低暗電流、具有內置放大電路和采樣保持電路的線(xiàn)陣CCD圖像傳感器。它內部包含一列1 024像元的光敏二極管和兩列525位的電荷轉移寄存器?？梢怨ぷ髟? V驅動(dòng)(脈沖)和12 V電源條件下。同時(shí)μPD795具有出色的光電特性，很高的轉移效率，達到了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；CCD移位寄存器，用于電荷信號轉移；輸出放大器，將電荷信號轉換成電壓信號。

　　結構原理圖如圖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，并轉換為相應的電荷信號，光敏陣列兩側分別為轉移柵和電荷轉移寄存器，在傳輸門(mén)時(shí)鐘信號φTGO的作用下，像元的光電信號分別轉移到位于其兩側的CCD轉移柵。而后CCD的MOS電容中的電荷信號在φIO的作用下從輸出端口串行輸出。

　　1．2 驅動(dòng)時(shí)序分析

　　CCD器件需要三路以上的驅動(dòng)時(shí)序脈沖。各驅動(dòng)脈沖必須嚴格滿(mǎn)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，分別為電荷轉移寄存器時(shí)鐘φIO、復位時(shí)鐘φRO、采樣保持時(shí)鐘φSHO以及傳輸門(mén)時(shí)鐘φTGO。他們之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。

　　CCD的驅動(dòng)時(shí)序是一組周期性且關(guān)系比較復雜的脈沖信號，它是影響CCD器件的信號處理能力、轉移效率、信噪比等性能的一個(gè)重要因素。常規的驅動(dòng)電路設計有以下幾種方法：面陣CCD通常采用相應的專(zhuān)用驅動(dòng)IC，但是難以調試，而且無(wú)法適應于其他CCD器件；線(xiàn)陣CCD可采用數字電路驅動(dòng)、單片機I／O口驅動(dòng)，或者選用可編程邏輯器件針對特定器件的驅動(dòng)時(shí)序要求完成驅動(dòng)電路設計。為了使CCD器件在各種光強信號下正常工作，需要設置不同的積分時(shí)間和相應的驅動(dòng)脈沖，傳統的單一驅動(dòng)脈沖無(wú)法滿(mǎn)足工作要求，必須設計一種可提供多種驅動(dòng)脈沖的電路。

　　2 系統框圖

　　整個(gè)驅動(dòng)電路系統可以分為四個(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制電路。脈沖發(fā)生電路可由74LS00和7．5 MHz的晶振以及相應的阻容電路組成，該部分相對簡(jiǎn)單，電阻和電容的數目也不多。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；采用同步計數器74LS163實(shí)現邏輯功能，該計數器為四位二進(jìn)制可編程計數器。當然也可以采用82C54(10MHz可編程)?？刂齐娐酚搔蘌D4011，μPD4012，μPD4013以及74LS27組成。μPD4011作為外部控制信號可以起到調整頻率的作用。脈寬調制電路由與非門(mén)、或非門(mén)和帶有直接清零功能的二進(jìn)制同步計數器組成。

　　3 驅動(dòng)電路

　　CCD 圖像傳感器的驅動(dòng)。簡(jiǎn)言之就是通過(guò)驅動(dòng)電路產(chǎn)生CCD正常工作所需的特定脈沖。為了產(chǎn)生如圖2所示的各路驅動(dòng)脈沖以及滿(mǎn)足傳感器的小型化和工作速度的要求。采用復雜可編程邏輯器件CPLD實(shí)現其邏輯功能是一個(gè)較好的選擇。CPLD是基于乘積項結構，可實(shí)現各種邏輯運算．全硬件結構，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實(shí)現快捷，開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護簡(jiǎn)單，工作可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。在該設計中，μPD795所需的驅動(dòng)脈沖是在 Max+PlusⅡ環(huán)境下完成設計并編譯、校驗后在線(xiàn)下載到CPLD器件內部，實(shí)現邏輯功能。實(shí)際的驅動(dòng)電路的原理結構圖如圖4所示。該例中的驅動(dòng)電路并不復雜，所用的器件也有限。但若驅動(dòng)脈沖種數繼續增加，則電路的復雜程度也要成比例增加。該設計中采用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)現在線(xiàn)編程。在Max+PlusⅡ環(huán)境下進(jìn)行了仿真，得到了滿(mǎn)意的結果后進(jìn)行了硬件設計。

　　4 實(shí)驗結果

　　對制作PCB板用示波器和邏輯分析儀進(jìn)行了測試，測量檔位為2 μs，測量CCD驅動(dòng)波形φIO，φRO，φSHO如圖5所示?？v坐標中低電平為0 V，高電平為5 V。

　　5 結 語(yǔ)

　　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。從該驅動(dòng)電路與信號處理單元及上位機和顯示器構成的完整線(xiàn)陣CCD相機系統，以及從實(shí)測波形數據來(lái)看。該驅動(dòng)電路在實(shí)際使用中穩定可靠，達到了設計前的要求，這說(shuō)明用CPLD構成線(xiàn)陣 CCD相機驅動(dòng)電路是一種切實(shí)可行的方案。