AD9847的原理及其在CCD 成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

經(jīng)CDS處理的CCD信號(hào)送至下一個(gè)電路。箝位電路用來消除信號(hào)鏈中的殘留偏壓，并且跟蹤CCD暗像素的頻率成份，錯(cuò)誤的信號(hào)將被過濾掉，所以噪聲降低，去掉偏壓還可減小對(duì)增益改變的影響。AD9847內(nèi)部箝位信號(hào)為CLPDM、CLPOB，箝位位置通過配置寄存器來改變。具體的寄存器配置內(nèi)容需根據(jù)AD9847 datasheet和CCD的datasheet的要求進(jìn)行配置，只需根據(jù)CCD行轉(zhuǎn)移信號(hào)找出black pixel、effective pixel的位置即可。

AD9847的增益放大器有PxGA（像素增益放大器）和VGA（放大器），兩個(gè)增益放大器共同工作，對(duì)弱信號(hào)放大、強(qiáng)信號(hào)縮小，使圖像灰度處于比較理想的狀態(tài)。其中，PxGA為單個(gè)的彩色像素提供單獨(dú)的增益調(diào)整。一個(gè)可編程增益放大器有4個(gè)單獨(dú)值，PxGA可將增益值分配給單個(gè)像素。PxGA可以用于白平衡調(diào)整彩色信號(hào)，可減少后續(xù)的數(shù)字處理工作量，并很方便地為CCD攝像機(jī)系統(tǒng)提供了白平衡功能。配置ctlmode寄存器可以選擇PxGA的工作模式，ctlmode可針對(duì)不同類型的CCD彩色濾波陣列設(shè)置7種不同的彩色引導(dǎo)模式，彩色引導(dǎo)起著正確分開R、G、B分量的增益值的作用，并由垂直（VD）和水平（HD）同步信號(hào)控制同步。四個(gè)通道的PxGA增益范圍為-2 dB～+10 dB，對(duì)應(yīng)64 steps，通過串行口配置pxga gain寄存器來控制，其缺省值對(duì)應(yīng)為4 dB。VGA的增益范圍2 dB～36 dB，通過寄存器VGA gain，以10-bit分辨率即1 024 steps進(jìn)行配置。結(jié)合PxGA的4 dB增益，AD9847總的增益范圍為6 dB～40 dB。當(dāng)ADC的輸入信號(hào)最大范圍值為2 V時(shí)，最小增益6 dB須對(duì)應(yīng)1 V輸入信號(hào)。當(dāng)對(duì)應(yīng)1 V最大范圍系統(tǒng)時(shí)，增益相當(dāng)?shù)姆秶鸀? dB～34 dB。VGA增益曲線分為兩個(gè)區(qū)域，當(dāng)VGA增益寄存器碼對(duì)應(yīng)范圍0～511時(shí)，曲線對(duì)應(yīng)(1+x)/(1-x)的形狀；512～1 023時(shí)，曲線對(duì)應(yīng)linear-in-dB的形狀，如圖4。VGA實(shí)際的增益值相應(yīng)寄存器中的增益值的計(jì)算公式如下：

碼值為0～511時(shí)：

Gain=20log10([658+code]/[658-code])-0.4

碼值為512～1 023時(shí)：

Gain=(0.0354)(code)-0.04

經(jīng)過以上信號(hào)預(yù)處理后，信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，AD9847使用一個(gè)高性能的10-bit ADC結(jié)構(gòu)，高速低耗。差分非線性性能優(yōu)于0.4LSB。ADC輸入范圍為2 V，大的全量程ADC范圍帶來很好的性能。系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)一步處理。

4 AD9847的外部電路設(shè)計(jì)

在PCB板的設(shè)計(jì)過程中，數(shù)模混合電路的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)瓶頸。模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變是否實(shí)時(shí)、精確，是電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。通常的電路中，模擬信號(hào)上由于存在隨時(shí)間變化的連續(xù)變化的電壓和電流有效成分，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，需要同時(shí)控制這兩個(gè)變量，而且它們對(duì)于外部的干擾更敏感，因而通常作為被干擾對(duì)象來分析；數(shù)字信號(hào)上只有隨時(shí)間變化的門限量化后的電壓成分，相比模擬信號(hào)對(duì)干擾有較高的承受能力，但是這類信號(hào)變化快，特別是變化沿速度快，還有較高的高頻諧波成分，對(duì)外釋放能量，通常作為干擾源[5]。

AD9847即有模擬電路又含數(shù)字電路部分，它的電路設(shè)計(jì)一定要謹(jǐn)慎。本系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方式，將AD9847的數(shù)字地與模擬地分開布線，單點(diǎn)用銅皮或 FB 磁珠連接。系統(tǒng)使用單獨(dú)的地層，地層盡量連續(xù)，退耦電容要盡量靠近芯片放置，尤其是管腳25～35，以減少退耦電容在電源和旁路引腳以及其接地引腳之間產(chǎn)生的電阻回路。串聯(lián)電阻離數(shù)字輸出管腳越近，數(shù)字碼字轉(zhuǎn)換噪聲越小。如果數(shù)字輸出要驅(qū)動(dòng)一個(gè)大于20 pF的負(fù)載，建議用緩存來降低數(shù)字編碼傳輸噪聲，還可以放置一系列的電阻降低該噪聲。為得到低噪聲性能，電源退耦非常重要。經(jīng)設(shè)計(jì)，AD9847最終外圍電路連接圖如圖5所示。