線陣CCD圖像傳感器驅動電路的設計

　　1 引言

　　電荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device)是20世紀60年代末期出現(xiàn)的新型半導體器件。目前隨著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域的應用日益廣泛.CCD應用的前端驅動電路成本價格昂貴，而且性能指標受到生產(chǎn)廠家技術和工藝水平的制約.給用戶帶來很大的不便。CCD驅動器有兩種：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(diào)整電路進行電壓或功率放大再送給用戶：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行數(shù)字化的部分，然后將數(shù)字信息傳輸給用戶，通常的線陣CCD攝像機就指后者，外加機械掃描裝置即可成像。所以根據(jù)不同應用領域和技術指標要求.選擇不同型號的線陣CCD器件，設計方便靈活的驅動電路與之匹配是CCD應用中的關鍵技術之一。

　　本文以TCD1501C型CCD圖像傳感器為例.介紹了其性能參數(shù)及外圍驅動電路的設計.驅動時序參數(shù)可以通過VHDL程序靈活設置.該電路已成功開發(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(shù)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.CCD首先完成光電轉換.即產(chǎn)生與入射光輻射量成線性關系的光電荷。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上.CCD根據(jù)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)過濾波、放大處理，通過驅動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號。基于上述將一維光學信息轉變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑?，線陣CCD可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。圖1為CCD光譜響應曲線。

　　3 驅動電路的實現(xiàn)

　　線陣CCD TCD1501C的主要技術指標如下：像敏單元數(shù)為5 000;像元尺寸為7μm×7μm;像元中心距為7μm;像元總長為35 mm;光譜響應范圍為400 nm-1000 nm.光譜響應峰值波長為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電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生CCD工作所需的多路時序脈沖.二是對CCD輸出的原始模擬信號進行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉換.最后驅動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

　　3.1 基于VHDL的驅動時序設計

　　本部分設計是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)的。CCD器件需要復雜的三相或四相交疊驅動脈沖，多數(shù)面陣CCD都是三相或四相驅動，多數(shù)線陣CCD都是二相驅動。本文以二相線陣CCD圖像傳感器TCD1501C為例，實現(xiàn)了用CPLD完成的驅動電路設計。CCD為容性負載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要對CPLD輸出的復位脈沖RS、移位脈沖(又稱光積分脈沖)SH、箝位脈沖CP、采保脈沖SP，以及二相時鐘脈沖中Φ1E、Φ2E等各路驅動脈沖采用74HC14進行整形和驅動能力的放大.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個有效像元輸出。TCDl501C正常工作時要有76個啞像元輸出.一個掃描行周期內(nèi)至少應包含有5 076個時鐘脈沖，即TSH>5076×Φ1E 0.1μs，在本設計中TSH=5200×Φ1E。由此可見，改變時鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時鐘脈沖數(shù)，可以改變光積分周期，通常Φ1E的頻率設置為可調(diào)節(jié)的，這樣可以根據(jù)CCD器件的實際應用環(huán)境靈活運用CCD器件的優(yōu)點以改變光積分時間。只要條件允許，為降低CCD的電荷轉移損失率。CCD驅動脈沖的頻率應盡可能小。驅動脈沖的頻率降低時，可以在示波器上觀察到CCD輸出信號幅值明顯增強。圖2所示為CCD工作波形。