行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖像采集系統(tǒng)的研究

3 視頻信號處理模塊
視頻信號處理模塊是連接CCD輸出和后端數(shù)字處理的橋梁，是決定圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，也是調(diào)試中的一個難點。其主要功能有：線性放大、直流箝位、相關(guān)雙采樣、低通濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換。如果這些功能都采用分立元件來實現(xiàn)，則有電路復雜、成本高、調(diào)試困難等缺點。因此，系統(tǒng)采用了CCD信號專用處理芯片CXA2006Q和CXD2310AR來完成對CCD輸出信號的處理。
3．1 相關(guān)雙采樣技術(shù)
由于CCD輸出的原始視頻信號中，除包含有幅值很小的有效視頻電壓信號(一般只有幾百毫伏)外，還混雜有幅度較大的復位脈沖干擾，致使有效的視頻信號常常淹沒在噪聲中。相關(guān)雙采樣(CDS)就是根據(jù)CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設(shè)計，它能消除復位噪聲的干擾，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。CDS采用兩級高速采樣保持器(S／H)，一級用來采集復位電平，即在復位脈沖過去之后至信號電荷包到來之前某一時刻的電平；另一級用來采集像元信號電平，即在水平時鐘串擾后到信號電荷到來前的某一時刻電平：然后將兩次采集的電平進行差分比較，就得到了實際的信號電平。
系統(tǒng)選用Sony公司的CXA2006Q作為前端放大器，其采用相關(guān)雙采樣技術(shù)CDS(correlated double sampling)提取圖像信息，內(nèi)部集成有CCD信號AGC(自動增益控制)控制范圍可以達到8dB～38dB，具有良好的輸入信號鉗位和CDS輸入偏移校正性能， 并提供暗電平鉗位給出準確的暗電平參考，同時為A／D提供精確的參考電平。圖4為示波器上觀察到的CCD輸出的原始視頻信號經(jīng)CXA2006Q去噪后的純凈視頻信號。

3．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換
前端放大器CXA2006Q的輸出是模擬信號，為便于數(shù)據(jù)壓縮和傳輸，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，根據(jù)技術(shù)指標要求，系統(tǒng)選用Sony公司低功耗高精度的CXD2310AR作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它是一款逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率為10bit，最高采樣頻率20MSPS，最大功耗為1 50mW，最大采樣延時6ns。CXD2310AR在采樣脈沖控制下把模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，并按規(guī)定的格式驅(qū)動輸出。

4 智能電源模塊
面陣CCD系統(tǒng)設(shè)計的另一難點是能夠提供穩(wěn)定的多電壓，且各電壓上電順序可控的智能電源模塊的設(shè)計。實現(xiàn)上電順序的控制有多種方式，比較典型的方式是利用晶體管做開關(guān)，由外部控制電平作為控制輸入。利用CPLD的輸出來控制三極管的基極，雙極型線性穩(wěn)壓器MC34063升壓(降壓)后的輸出接PNP三極管的射極。經(jīng)試驗證明，選用MC34063輸出的電壓會隨負載的變化而不穩(wěn)定且電壓紋波較大，進而對整個系統(tǒng)的硬件電路造成較大的干擾。因而采用Maxim公司的MAX685芯片，本芯片專為面陣CCD上電控制應用而設(shè)計，具有兩個獨立的正負電壓輸出端口；可選擇的上電順序以及邏輯電平控制上電開關(guān)；其工作頻率可以和外頻率同步，并有輸出正常標志電平(POK)，易于實現(xiàn)反饋控制。同時采用MAX687為CPLD及視頻信號處理電路提供3．3V的穩(wěn)定電壓。

5 結(jié)論
在分析行間轉(zhuǎn)移面陣CCDICX098AK驅(qū)動時序關(guān)系的基礎(chǔ)上，完成了驅(qū)動時序發(fā)生器的軟硬件設(shè)計。采用專用視頻處理芯片對CCD原始模擬信號進行去噪、量化，運用USB2．O的傳輸接口進行圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸，整個系統(tǒng)運用VHDL語言進行硬件編程，簡化了硬件開發(fā)的難度和復雜度，減小了系統(tǒng)的體積和功耗，滿足CCD采集系統(tǒng)向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要。