《EDA在线阵CCD驱动电路设计教学中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《EDA在线阵CCD驱动电路设计教学中的应用（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、EDA在线阵CCD驱动电路设计教学中的 应用祝世平凰直强刘惠兰张永健北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院摘要：CCD （电荷藕合器件）是一种广泛应用的固体成像器件，在CCD应用中的关键问 题之一是其驱动电路的设计。在本科生实验课程中开设的CCD驱动电路设计实验 能帮助学生巩闹所学的模拟电路和数字电路的知识，使学生在分析、设计和动手 能力等方面得到提高，使实验教学和课堂教学得到结合。木文给出了在实验课程 中采用EDA软件针对线阵CCD TCD2252D驱动电路的几种设计方案。关键词：CCD;驱动电路设计;FPGA; Proteus;作者简介：祝世平（1970-）,男，博士，副教授，主耍从事图像
2、处理和视频压 缩等方面的教学和研究，E-mail: spzhu163. com收稿日期：2016-08-11基金：北京航空航天大学2015年校级教学改革项目Teaching Application of the Designing of Linear CCD Driving Circuit with EDAZHU Shiping ZHOU Fuqiang LIU Hui-lan ZHANGYong-jianSchool of Instrumentation Science andOptoelectronics Engineering， BeihangUniversity;Abstract：CC
3、D ( Charge Coupled Device) is a kind of wildly used solid imaging device, one key problem of CCD appl i cat ion is the design of the driving circuit. The undergraduate course for the CCD driving circuit designing is offered based on the computer aid design, which can help undergraduate students to i
4、mprove their knowledge of analog circuit and digital circuit. This paper proposes several design schemes for the linear CCD driving circuit of TCD2252 D by using EDA software.Keyword：CCD; design of driving circuit; FPGA; Proteus;Received： 2016-08110引言CCD (Charge Coupled Device)作为一种新兴的固体成像器件，具有体积小、重
5、量轻、分辨率高、灵敏度高、可靠性好等优点，广泛应用于机器视觉系统、视频 监控和安防系统、智能交通系统以及互联网等领域1-4。CCD应用的关键之一是驱动电路的设计。因不同厂家生产的CCD其驱动时序不尽 相同，H同一厂家生产的不同型号的CCD其驱动吋序也不完全一样，从而使CCD 驱动电路设计很难实现规范化，因此用户必须认真面对CCD驱动电路的设计问 题5-10。随着EDA软件平台的不断进步，在设计CCD驱动电路方面，EDA软件 发挥着不可替代的作用。CCD驱动电路的设计既能充分利用学生现有的数字电路、模拟电路的知识，又具 有一定的实用价值。因此我院针对本科生开设了基于线阵CCD的综合实验，使学 生
6、熟悉线阵CCD的棊本工作原理以及其测量原理，同时在实验课下让学生完成 线阵CCD驱动电路的设计与仿真，并进行仿真结果的验证和检査。本实验课程使 学生在分析、设计和动手能力等方面得到提高，同时使实验教学和课堂教学紧密 结合。基于此，本文以东芝公司线阵CCD图像传感器TCD2252D为例，探讨了在实验课 程中EDA软件在线阵CCD驱动电路设计中的应用，并给出几种实用的设计方案。1利用Multisim设计1C电路图1引用东芝公司TCD2252D技术手册，给出了 TCD2252D线阵CCD驱动电路的各 个驱动脉冲的吋序要求。本文所有的时序设计均以此为依据。在设计驱动电路吋， 首先以高低电平的时序关系为
7、主要设计对象，待后期进行调试时再考虑上升沿 与下降沿的影响。图1线阵TCD2252D驱动电路的驱动脉冲时序要求下载原图Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具, 是一款很好的EDA （Electronic Design Automation）设计软件，适用于板级的 模拟/数字电路板的设计工作。在进行实际电路的搭建时，首先利用Multisim 进行时序电路图的设计，然后进行仿真。为之后实物搭接的电路实验进行指导， 方便其调试与修改。本文所设计的电路图如图2所示。图2线阵TCD2252D驱动电路的Multisim设计电路图下载原图木方案的总体设计的步骤是
8、:先形成满足占空比的波形，然后对各个波形进行延 吋以达到满足CCD吋序驱动的要求。故先从理论上推导出满足吋序要求所需要的 D触发器及非门的个数，然后通过示波器（Multisim或实际搭建电路时）的观 察来得到需要的波形，线阵CCD TCD2252这款芯片所需的驱动信号有SH，小1、 小2，SP，RS，CP等，它们的实现详述如下：（1）SH的实现:SH的实现主要是靠1400进制的计数器，这里釆用的是三个16 进制计数器（74LS161），可以比其它进制的计数器少用芯片而达到相同的效 果。28000=1010111100008从而知道将1；8的況和0众端引出,U7的QD端引出，即 约为一个1400
9、计数器（从CCD驱动原理上知道只需要满足SH大于1388个1 的周期即可，故在此用1408代替，误差可以忽略），O1的频率为0.5MHz，故 其一个周期的时间刚好为2000 ns,当 1的第1407个上升沿到来时SH被置高 电平，当第1408个的上升沿到来时，SH复位，刚好为2000 ns。再将它根 据实际的需要进行一定时间的延时，即可得到满足要求的SH波形。（2）*1、（1）2的实现:相对较为简单，它接一个JK触发器，J=K=1,每来一个上 升沿实现一次翻转，这样就能将时钟十分频后的信号进行二分频，得到满足驱 动要求的0. 5 MHz的1:1的方波，后面接的U10是一个8D触发器，它主要是配
10、 合整个电路的驱动时序实现对O1的延时，从而得到满足要求的脉冲。(3) SP、RS和CP的实现:三者的实现原理是和同的，只不过是在时间延时方面 不同，可以选择先产生某一信号如SP,然后对其进行延时，即可得到RS和CP， SP的产生直接利用10 MHz的信号延时调整后与SH “或”即可得到(也可以先进 行“或”操作再进行延时而得到)，再对SP进行一些时序上的延时处理以达到 满足要求的三个信号。如图2所示:U3的5D、6Q和8Q输出的即为相应的SP、RS 和CP。木方案选择10 MHz晶振作为整个驱动电路的驱动时钟，利用一个10进制计数器 U1对其进行分频，即可得到占空比为1:9的频率为1 MHz
11、的方波，再利用一个 JK触发器U2A进行二分频，即可得到频率为0. 5 Mllz的方波，把它作为1408计 数器(U6-U7-U8)的驱动时钟，当第1407个U2A，剩下的就是利用SH与RS进 行逻辑运算，再经过延时处理，即可得到满足耍求的波形。在延时方面，考虑到 每一个非门延时15 ns左右，每个施密特触发器(74LS14)延时约22 ns,而D 触发器在驱动吋钟为10 MHz时延时约100 ns,故可以利用此来设计具体的吋序 要求。2基于FPGA进行驱动电路设计本方案采用ALTERA公司的EP1C6Q240芯片，利用的实验平台是ALTERA公司的 Quartus 118. 0 Web Ed
12、ition 版。Quartus II 是 Altera 公司推出的 CPLD/FPGA 开发工具，它提供了完全集成II与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑 设计的全部特性。用FPGA实现驱动电路的设计有许多方法，例如通过V1IDL语言、 Verilog HDL语言等，在己经搭建好1C仿真电路的基础上，有一种更为方便的 方式，那就是利用Quartus II的原理图输入方式，可以充分利用软件本身已经 写好的各个逻辑部件的语句，利用在Multisim里的电路图进行搭建，在一些细 节处进行修改(如某些延时方面采用D触发器进行等)即可完成FPGA的驱动设 计。利用Quartus II设计的电路图如图
13、3所示。图3线阵TCD2252D驱动电路的Quartus II设计电路图 下载原图图中U1部分：由于使用的时钟是50 MHz的脉冲，因此此部分将时钟进行分频， 变为10 Mllz的时钟信号作为整个电路的驱动;U2部分为10分频电路，对10 MIlz 的时钟进行分频以得到1 MHz的RS信号;U3部分为RS具体产生电路，它用U2 部分产生的信号取反后与SH或即可得到实际要求的RS信号，再经过一个 74LS273 (8D触发器)进行延时后即可以产生所需要的SP、RS、CP信号;U5部分 为O1、02的产生电路，它由U3的JK触发器得到原始信号后经过D触发器延 时得到要求的O1、02信号;U4部分为
14、1400进制的计数器，它的驱动脉冲来自 U3产生的1原始脉冲，每1408个1脉冲即可产生一个SH高电平，它即是 所要求的SH脉冲。3利用Proteus进行单片机仿真设计Proteus软件是英国Labcenter electronics公司推出的EDA工具软件。它不仅 具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是0前最好 的仿真单片机及外围器件的工具。设计电路阁如阁4所示，其中XTAL1和XTAL2是MEGA16的时钟输入端，为便于 计算，这里选用的时钟驱动频率为10 MHz,因此每个时钟周期（也是MEGA16的 指令周期）即为100 ns,这样只要保证在每个指令周期内按要求
15、对每个端U进 行赋值，即可实现AVR单片机的各个端口对所需波形的要求，当然也可以选用 频率更高的晶振作为驱动，这样的话每个指令周期的时间得根据所选择的晶振 周期进行分配，在每个指令的周期内进行对端口赋值即可实现耍求的波形。阁4 中RESET端接的是复位电路，实现上电复位的功能。按图4所示的接线方式， PA（fPA5出现的依次是SH、O1、02、SP、RS和CP，即驱动CCD的各个信号。阁4线阵TCD2252D驱动电路的Proteus设计电路阁下载原阁利用AVR单片机来进行驱动电路的设计，主要是考虑驱动频率的问题，TCD2252D 要求的驱动频率最高为1 MHz （MEGA16单片机的大多数指令
16、为单个的系统时钟周 期，系统时钟最尚频率可以提尚到16 MHz,这是它与51单片机的最大区别所 在），我们选择10 Mllz作为它的时钟周期，这样的话就能保证在100 ns的窄脉 冲要求。在确定好利用AVR单片机后，具体到脉冲信号的产生又有两种不同的方 案，即利用MEGA16的3个定时/计数器实现自动的定时，且MEGA 16的计数器有 3个，2个8位的T/CO和T/C2, 1个16位的定时器T/C1，均能实现脉冲宽度调 制 PWM （Pulse Width Modulation）,这样可以利用 T/C1 来产生 SH, T/C0 和 T/C2 分别产生和SP,通过对单片机定时器写入相应的控制字即可实现。这种方 案的优点是操作不占用CPU的时间，但缺点也很明显，高电平部分不容易产生， 驱动信号为6路，因此必须依靠附加的外部1C来调整以满足要求，这样无异于 利用1C搭建电路，只不过是
