基于FPGA的線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序及 模擬信號(hào)處理的設(shè)計(jì)
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電荷耦合器CCD具有尺寸小、精度高、功耗低、壽命長(zhǎng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于CCD芯片的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能達(dá)到器件工藝設(shè)計(jì)所要求的最佳值，以及穩(wěn)定的輸出信號(hào)，因此驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)是應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。通用CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有4種實(shí)現(xiàn)方式：EPROM驅(qū)動(dòng)法；IC驅(qū)動(dòng)法；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法以及可編程邏輯器件(PLD)驅(qū)動(dòng)法。
基于FPGA設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是可再編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是集成度高、速度快、可靠性好。若要改變驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序，增減某些功能，僅需要對(duì)器件重新編程即可，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的更新?lián)Q代。
2 CD 1501D CCD工作參數(shù)及時(shí)序分析
2．1 TCDl50lD CCD工作參數(shù)
所選器件是日本TOSHIBA公司的TCDl50lD CCD作為光電傳感器，該芯片是高靈敏度、低噪聲和寬動(dòng)態(tài)范圍的線陣CCD器件。主要參數(shù)如下：
光敏像元數(shù)：5000個(gè) 像元尺寸：7μm×7μm×7μm
光譜響應(yīng)范圍：300～l 000 nm靈敏度：10．4～15．6V/Lx．s
動(dòng)態(tài)范同典型值：3 000 nm飽和曝光度典型值：0.23Lx．s
驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率最大值：12 MHz
該器件正常工作的驅(qū)動(dòng)脈沖主要有：復(fù)位時(shí)鐘RS、移位脈沖φ1、φ2和轉(zhuǎn)移脈沖SH。該器件具有5 000個(gè)有效像元，正常工作還需要76個(gè)虛設(shè)單元輸出(dummy outputs)信號(hào)。由于該器件是兩列并行傳輸，所以在一個(gè)周期內(nèi)至少需要2538個(gè)φ1(或φ2)時(shí)鐘脈沖才能完成一幀圖像轉(zhuǎn)移。
2．2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析
各驅(qū)動(dòng)時(shí)序之間正確的先后關(guān)系是保證CCD正常工作的前提。具體時(shí)序關(guān)系如圖1所示。
3 CCD輸出信號(hào)的采集
CCD器件輸出的原始信號(hào)中除了有用的信號(hào)外，還夾雜著各種噪聲和干擾，主要有光子噪聲、散粒噪聲、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲以及輸出噪聲等，而影響最大的是復(fù)位噪聲。通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)可知，相關(guān)雙采樣是消除復(fù)位噪聲最有效的方法之一。其原理是利用復(fù)位噪聲在同一像素周期內(nèi)近似為常數(shù)，因此，只要把同一像素周期內(nèi)的參考電平和信號(hào)電平進(jìn)行兩次采樣，再進(jìn)行相減，即可消除復(fù)位噪聲。
3．1 內(nèi)部信號(hào)處理
與其他線陣CCD不同的是TCDl50lD內(nèi)部包含有采樣保持電路。由圖1可知，OS經(jīng)SH脈沖采樣后，得到所有視頻信號(hào)的包絡(luò)，經(jīng)CP箝位電平后輸出一個(gè)大概為5 V左右的直流分量，兩個(gè)波形再通過(guò)差分即可得到有用的視頻信號(hào)。若要保證信號(hào)的不失真輸出，則t12和t18需越小越好，必須滿足時(shí)間最小值要求，即讓采樣脈沖SH和箝位脈沖CP對(duì)OS信號(hào)在很短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地對(duì)陰影部分信號(hào)電平和參考電平分別進(jìn)行采樣，然后兩者差分。輸出視頻信號(hào)的示意圖如圖2所示，圖2(a)中的陰影部分是有用的視頻信號(hào)，白色部分是參考電平，圖2(b)是相關(guān)雙采樣后CCD每個(gè)像元中視頻信號(hào)包絡(luò)的集合，是一個(gè)負(fù)極性的離散模擬信號(hào)，圖2(c)是翻轉(zhuǎn)之后的正極性信號(hào)。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部CDS，由于CCD內(nèi)部時(shí)序要求非常嚴(yán)格，在某些情況下可以采用外部的相關(guān)雙采樣技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況選擇使用內(nèi)部采樣處理還是外部采樣處理。
評(píng)論