線(xiàn)陣CCD圖像傳感器驅動(dòng)電路的設計

　　1 引言

　　電荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device)是20世紀60年代末期出現的新型半導體器件。目前隨著(zhù)CCD器件性能不斷提高.在圖像傳感、尺寸測量及定位測控等領(lǐng)域的應用日益廣泛.CCD應用的前端驅動(dòng)電路成本價(jià)格昂貴，而且性能指標受到生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)和工藝水平的制約.給用戶(hù)帶來(lái)很大的不便。CCD驅動(dòng)器有兩種：一種是在脈沖作用下CCD器件輸出模擬信號，經(jīng)后端增益調整電路進(jìn)行電壓或功率放大再送給用戶(hù)：另一種是在此基礎上還包含將其模擬量按一定的輸出格式進(jìn)行數字化的部分，然后將數字信息傳輸給用戶(hù)，通常的線(xiàn)陣CCD攝像機就指后者，外加機械掃描裝置即可成像。所以根據不同應用領(lǐng)域和技術(shù)指標要求.選擇不同型號的線(xiàn)陣CCD器件，設計方便靈活的驅動(dòng)電路與之匹配是CCD應用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　本文以TCD1501C型CCD圖像傳感器為例.介紹了其性能參數及外圍驅動(dòng)電路的設計.驅動(dòng)時(shí)序參數可以通過(guò)VHDL程序靈活設置.該電路已成功開(kāi)發(fā)并應用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。

　　2 CCD工作原理

　　CCD是以電荷作為信號，而不同于其他大多數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。當光入射到CCD的光敏面時(shí).CCD首先完成光電轉換.即產(chǎn)生與入射光輻射量成線(xiàn)性關(guān)系的光電荷。CCD的工作原理是被攝物體反射光線(xiàn)到CCD器件上.CCD根據光的強弱積聚相應的電荷.產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號，經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，通過(guò)驅動(dòng)電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號?；谏鲜鰧⒁痪S光學(xué)信息轉變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑?，線(xiàn)陣CCD可以實(shí)現圖像傳感和尺寸測量的功能。圖1為CCD光譜響應曲線(xiàn)。

　　3 驅動(dòng)電路的實(shí)現

　　線(xiàn)陣CCD TCD1501C的主要技術(shù)指標如下：像敏單元數為5 000;像元尺寸為7μm×7μm;像元中心距為7μm;像元總長(cháng)為35 mm;光譜響應范圍為400 nm-1000 nm.光譜響應峰值波長(cháng)為550 nm，靈敏度為10.4 V/lx.s～15.6 V/lx.s。使CCD芯片正常工作的驅動(dòng)電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時(shí)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換.最后驅動(dòng)器輸出用戶(hù)所需的模擬或視頻信息。

　　3.1 基于VHDL的驅動(dòng)時(shí)序設計

　　本部分設計是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)現的。CCD器件需要復雜的三相或四相交疊驅動(dòng)脈沖，多數面陣CCD都是三相或四相驅動(dòng)，多數線(xiàn)陣CCD都是二相驅動(dòng)。本文以二相線(xiàn)陣CCD圖像傳感器TCD1501C為例，實(shí)現了用CPLD完成的驅動(dòng)電路設計。CCD為容性負載，工作頻率高時(shí)有一定的功耗，因此需要對CPLD輸出的復位脈沖RS、移位脈沖(又稱(chēng)光積分脈沖)SH、箝位脈沖CP、采保脈沖SP，以及二相時(shí)鐘脈沖中Φ1E、Φ2E等各路驅動(dòng)脈沖采用74HC14進(jìn)行整形和驅動(dòng)能力的放大.然后再送至TCD1501C器件的相應輸入端，在CCD的模擬信號輸出端將得到信號0S和補償信號DOS。TCD1501C典型的最佳工作頻率是1MHz，該器件具有5 000個(gè)有效像元輸出。TCDl501C正常工作時(shí)要有76個(gè)啞像元輸出.一個(gè)掃描行周期內至少應包含有5 076個(gè)時(shí)鐘脈沖，即TSH>5076×Φ1E 0.1μs，在本設計中TSH=5200×Φ1E。由此可見(jiàn)，改變時(shí)鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內的時(shí)鐘脈沖數，可以改變光積分周期，通常Φ1E的頻率設置為可調節的，這樣可以根據CCD器件的實(shí)際應用環(huán)境靈活運用CCD器件的優(yōu)點(diǎn)以改變光積分時(shí)間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉移損失率。CCD驅動(dòng)脈沖的頻率應盡可能小。驅動(dòng)脈沖的頻率降低時(shí)，可以在示波器上觀(guān)察到CCD輸出信號幅值明顯增強。圖2所示為CCD工作波形。