AD9847的原理及其在CCD 成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著晶圓工藝的不斷發(fā)展，CCD相機(jī)和攝像機(jī)的發(fā)展也趨于小型化、智能化、功能多樣化。隨著45 nm甚至40 nm技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是消費(fèi)級(jí)還是科學(xué)級(jí)攝像機(jī)，設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)更愿意選擇小型且功能強(qiáng)大的芯片。ADI公司推出的業(yè)界通用AFE已經(jīng)配置于多種知名的高性能數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，憑借這種技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)，ADI現(xiàn)已能夠?yàn)橛糜诟叨藬?shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)以及高性能科學(xué)和工業(yè)圖像處理應(yīng)用（例如，機(jī)器視覺(jué)、生物醫(yī)學(xué)圖像處理和碰撞測(cè)試分析)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器提供專(zhuān)業(yè)的AFE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

1 CCD成像系統(tǒng)組成

CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域較多，包括光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、CCD驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、狀態(tài)控制系統(tǒng)及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等[1]。本系統(tǒng)框圖如圖1，其中光學(xué)鏡頭部分沒(méi)有標(biāo)出。系統(tǒng)處理流程為：CCD在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，將經(jīng)由光學(xué)鏡頭透過(guò)的光信號(hào)變換為電信號(hào)，即模擬視頻信號(hào)。視頻信號(hào)分為左右兩邊經(jīng)兩路AD9847進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行一系列處理最終送至終端。系統(tǒng)中FPGA采用XILINX公司的XC4VLX25。一般FPGA處理后的信號(hào)根據(jù)終端的不同而相應(yīng)地給出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以便進(jìn)行圖像顯示。該系統(tǒng)中終端為高清監(jiān)視器，故最終接口為HDSDI接口。

AD9847在系統(tǒng)中需與FPGA聯(lián)合工作。因AD9847集成TD(Timing Driver)，所以可以為CCD提供垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、箝位信號(hào)及消隱信號(hào)。系統(tǒng)中CCD采用柯達(dá)KAI-2093^[2]，最高工作頻率為40 MHz，系統(tǒng)工作頻率為37.125 MHz，RG信號(hào)的窄脈沖達(dá)到200 MHz高頻；FPGA是系統(tǒng)中的核心器件，如果以上信號(hào)都由FPGA提供，則對(duì)FPGA有很高的性能要求，故采用驅(qū)動(dòng)信號(hào)由AD9847與FPGA聯(lián)合提供的方式工作。AD9847的加入使得成像系統(tǒng)體積減小、操作簡(jiǎn)便。AD9847不同于其他AFE的地方就是它除了可以對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理外還，可以為CCD提供足夠驅(qū)動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最高可達(dá)24.5 mA。

2 AD9847的介紹

2.1 主要特點(diǎn)

AD9847是美國(guó)ADI公司的一款面向CCD的、完善的低功耗單通道模擬信號(hào)處理器。AD9847可以工作在三種模式下，對(duì)面陣CCD信號(hào)、模擬視頻信號(hào)和普通的交流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD9847以其高精度、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，及其所具有的完善的性能結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、科學(xué)研究等領(lǐng)域的高精度圖像采集系統(tǒng)中^[3]。

AD9847的主要特征：

(1)10 bit、40 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器；

(2)40 MHz相關(guān)雙采樣（CDS）；

(3)-2 dB～+10 dB像素增益放大器（PxGA）；

(4)2 dB～+36 dB，10 bit放大器（VGA）；

(5)低噪聲