线阵CCD图像传感器驱动电路的设计上传者：卤煮火烧浏览次数：7131引言电荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device) 是20世纪60年代末期岀现的新型半导体器件目前随着CCD器件性能不断提高.在图像传感、尺寸测量及定位测控等领域的应用日益广 泛.CCD应用的前端驱动电路成本价格昂贵， 而且性能指标受到生产厂家技术和工艺水平的制约 .给用户带来很大的不便CCD驱动器有两种：一种是在脉冲作用下 CCD器件输岀模拟信号，经 后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户： 另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输岀格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵 CCD摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像所以根据不同应用领域和技术指标要求 .选择不同型号的线阵CCD器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是 CCD应用中的关键技术之一本文以TCD1501C型CCD图像传感器为例.介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计 .驱动时序参数可以通过 VHDL程序灵活设置.该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品 中2 CCD工作原理CCD是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
当光入射到 CCD的光敏面时.CCD首先完成光电转换.即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷 CCD的工作原理是被摄物体反射光线到 CCD器件上.CCD根据光的强弱积聚相应的电荷.产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处 理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号基于上述将一维 光学信息转变为电信息输岀的原理，线阵CCD可以实现图像传感和尺寸测量的功能 图1为CCD 光谱响应曲线3驱动电路的实现线阵CCD TCD1501C 的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000;像元尺寸为7卩7卩m; 像元中心距为7 [I m;像元总长为35 mm;光谱响应范围为400 nm-1000 nm. 光谱响应峰值波长为550 nm，灵敏度为10.4 V/lx.s 〜15.6 V/lx.s 使CCD芯片正常工作的驱动电路主要有 两大功能一是产生CCD工作所需的多路时序脉冲.二是对CCD输岀的原始模拟信号进行处理， 包括增益放大、差分信号到单端信号的转换 .最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息3.1基于VHDL的驱动时序设计本部分设计是基于 Xilinx公司的CPLD XC9572 一 PC44-10，在ISE6.1环境下开发实现 的。
CCD器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵 CCD都是三相或四相驱动，多数线阵CCD都是二相驱动本文以二相线阵 CCD图像传感器TCD1501C为例，实现了用CPLD 完成的驱动电路设计CCD为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要对 CPLD输岀的复位脉冲RS、移位脉冲（又称光积分脉冲）SH、箝位脉冲CP、采保脉冲SP，以及二相时钟脉 冲中①1E、①2E等各路驱动脉冲采用74HC14进行整形和驱动能力的放大.然后再送至 TCD1501C 器件的相应输入端，在 CCD的模拟信号输岀端将得到信号 0S和补偿信号DOS TCD1501C 典型的最佳工作频率是1MHz，该器件具有5 000个有效像元输岀TCDl501C 正 常工作时要有76个哑像元输岀.一个扫描行周期内至少应包含有 5 076个时钟脉冲，即 TSH>5076 X①1E 0.1卩，在本设计中TSH=5200 X①1E由此可见，改变时钟脉冲频率或增 加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常 ①1E的频率设置为可调节的，这样可以根据CCD器件的实际应用环境灵活运用 CCD器件的优点以改变光积分时间只要条件 允许，为降低CCD的电荷转移损失率。
CCD驱动脉冲的频率应尽可能小驱动脉冲的频率降低 时，可以在示波器上观察到 CCD输岀信号幅值明显增强图 2所示为CCD工作波形PIT WTRJ*)«-mm mifF面是产生时序脉冲的 VHDL程序:ul:protcss(cik)beginif(clk' event and clk=* 1' )then ifKcntlc'OOOirjthenre<=r ;ra<=" 0";〜w・ wend if;end if;end proc ess;—generate cp_s signal pulse.A・—widths 120 nsfperiod=l nsx25•AuipcvgMclk)• 1 rif(clk" evenl and clk= 1’ Hhen if(cnt 1 >5 and cnl I <9)then cpjk二 r ；ekecp_x二"0’ ；end if：end if;end process：—generate
l I and cn(l0 and cnt3<3nhen0":«h<=r Irllfl if：end if;rnd process;3.2基于AD623的CCD输岀信号差分驱动设计CCD在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输岀视频信号，复位脉冲 RS每复位一次，CCD输岀一个光脉冲信号。
由于TCD1501C 信号检测采用选通电荷积分器结构 使其视频输岀信号中叠加了一些由周期性复位信号 RS引起的串扰信号而且有效信号幅值较小，约为 500mV直流电压约有4.1V这是一组典型的共模电压较高、有效差模信号较低的差分信号，信号 波形如图3和图4所示所以模拟信号输岀在进行后续处理 (包括长线传输、A/D转换等)之前要进行一系列预处理，消除视频信号中的复位脉冲串扰及其他干扰，将微弱的视频信号进行幅值 放大及驱动能力的放大由于是对差分信号的处理，所以先讨论一下差分电路的基本概念图 5为差分信号测量电路里差模和共模电压示意图， VDIFF是信号差模电压，VCM是信号共模电压，信号输岀V0UT=R2/R1 VDIFF=G VDIFF理想状态下，一般差模增益 G>1，而共模增益 (%mismatch/100) x G/(G+1)接近于零，因此可以看岀共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致， 而使电路的直流共模增益不为零 共模抑制比(CMRR)就是差模增益G与共模增益的比值用对数形式表示：201g[(100/%mismatch) x (G+1)]。
实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源 中.如50 Hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在 差分输入端，将会在输岀端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的 DC CMRR.还要有高的AC CMRRss图4 CCD的DOS瑞输出波形£=)丄X7ns 址腔分仏号示意图在电路设计中选用了 ADI公司的仪器仪表放大器 AD623.内部结构原理如图6所示AlU!G\!S RtSISTUA50 kf)h!在电路设计中选用了 ADI公司的仪器仪表放大器 AD623.内部结构原理如图6所示AD623集成了 3路运放.可单电源或双电源工作，具有较高的 CMRR和极低的电压漂移，除了一个控制可编程增益的外接电阻外，所有元件都集成在内部，提高了电路温度稳定度和可靠 性应用AD623的CCD模拟信号处理电路如图7将视频信号及其补偿输岀分别送至 AD623 的反相和同相输入端.在AD623的输岀端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力 选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输岀信号的温度漂移n ■AD523V5XH1?x 12T«5 ic7 Li33 Q ] 0.1 pF/UV、OS MS —r~>汩£i图7 CCOff!拟输出仁巧处H电路图4结束语基于上述开发的线阵CCD驱动器已调试成功.并且用于某位置测量系统中，工作稳定可靠 本设计方案只要再拓展AD转换部分就可以应用于成像系统的前端。