??? 摘 要: 針對512×512的TK512B面陣CCD的驅(qū)動要求，采用靈活的數(shù)字式設(shè)置方法，設(shè)計了一套驅(qū)動時序電路，并以大規(guī)模可編程邏輯器件為核心實(shí)現(xiàn)了電路的仿真，電路功能正確，符合各種使用要求；其數(shù)字式設(shè)置方法可為進(jìn)一步擴(kuò)展功能及使用單片機(jī)進(jìn)行控制預(yù)留了空間。
??? 關(guān)鍵詞: 面陣CCD? 驅(qū)動器? 可編程邏輯器件? 仿真
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??? 面陣CCD器件的廣泛應(yīng)用是在研制復(fù)雜的驅(qū)動器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著過去那種采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電路構(gòu)成系統(tǒng)的積木式電路的設(shè)計方法的摒棄以及大規(guī)模可編程器件" title="可編程器件">可編程器件的逐漸使用，數(shù)字電路設(shè)計的革命來臨了。針對不同的應(yīng)用規(guī)模，可以采用不同規(guī)模的數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)，在CCD應(yīng)用領(lǐng)域中也是如此。隨著線陣CCD、面陣CCD規(guī)模的擴(kuò)大，采用的集成電路的規(guī)模也在擴(kuò)大，從過去的GAL到現(xiàn)在的FPGA及ASIC，所完成的驅(qū)動功能也越來越完善。針對TK512B面陣型CCD的復(fù)雜驅(qū)動要求及用戶使用模式的要求，對于行數(shù)和像元數(shù)的控制采用靈活的數(shù)字式設(shè)置驅(qū)動方法，而對于每個像元的驅(qū)動則采用多狀態(tài)的譯碼工作原理，以便在一個像元的時序內(nèi)達(dá)到更準(zhǔn)確的精細(xì)時序驅(qū)動的要求，充分發(fā)揮CCD的性能和方便用戶調(diào)試。為了保證電路穩(wěn)定可靠地工作，采用同步時序設(shè)計方法。CCD驅(qū)動的另一個關(guān)鍵問題是要保證光積分、行轉(zhuǎn)移、行－串行轉(zhuǎn)移、像元信號串行輸出" title="串行輸出">串行輸出狀態(tài)切換期間的平穩(wěn)過渡，否則會丟失圖像信息和嚴(yán)重影響CCD工作。本文設(shè)計的驅(qū)動器很好地做到了各種狀態(tài)的切換，完全滿足CCD的驅(qū)動要求。
1 TK512B的驅(qū)動時序
??? TK512B面陣CCD是三相驅(qū)動型的，其典型的驅(qū)動時序如圖1所示。在光積分之前的幀擦除期，與串行轉(zhuǎn)移相關(guān)的驅(qū)動脈沖SA、S1、S2、S3全部為高電平" title="高電平">高電平，這樣可以將由P1、P2、P3及TG行驅(qū)動所轉(zhuǎn)移來的信號直接輸出面陣以消除光敏面和串行輸出寄存器內(nèi)積累的暗本底信號；當(dāng)進(jìn)入光積分期間時，P1保持高電平而P2、P3及TG均保持低電平，這樣可以使光生電子聚集在P1相電極下，形成信號電荷包；當(dāng)光積分完成時，首先是行間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使P1相電極下的電荷包在P2、P3及TG的驅(qū)動下整行地逐漸轉(zhuǎn)移到串行輸出寄存器中，并保持在S1相電極下；隨后進(jìn)行—行信號的串行輸出，轉(zhuǎn)移到串行寄存器中的一行信號在S1、S2、S3的驅(qū)動下將逐個輸出，在此期間P1保持高電平，P2、P3和TG保持低電平，從而保證光敏面中的未輸出信號繼續(xù)保持在P1相電極下，直到下一個行傳輸?shù)拈_始；當(dāng)一行串行信號轉(zhuǎn)移完時，就進(jìn)行下一行的行間轉(zhuǎn)移和串行輸出轉(zhuǎn)移，直到光敏面上的所有信號輸出為止。
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??? TK512B面陣CCD的有效光敏面陣列為512×512，實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)的影響，芯片的光敏面陣列為517×577，因此應(yīng)對該陣列進(jìn)行驅(qū)動才能保證CCD工作正常和圖像不受影響。每幀的前5行和每行的前64像元及最后一個像元為無效信號單元，在數(shù)據(jù)采集或圖像處理時應(yīng)注意。
2? CCD驅(qū)動器框圖
??? 根據(jù)每幀行數(shù)、每行像元數(shù)的數(shù)字式設(shè)置方式以及細(xì)分像元驅(qū)動時序、行及像元轉(zhuǎn)移的平穩(wěn)過渡要求，所設(shè)計的驅(qū)動器框圖如圖2所示。圖中包括快門及幀積分控制、行驅(qū)動控制、像元驅(qū)動控制及各種控制電路的時鐘控制等。圖中的中心控制電路主要負(fù)責(zé)各驅(qū)動時序的平穩(wěn)、正常切換。
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2.1 快門及幀積分控制
??? 針對有機(jī)械快門的相機(jī)結(jié)構(gòu)，首先利用內(nèi)部或外部觸發(fā)脈沖" title="觸發(fā)脈沖">觸發(fā)脈沖啟動機(jī)械快門使之打開，并利用機(jī)械快門上的觸點(diǎn)產(chǎn)生快門已開和關(guān)閉信號去控制電路產(chǎn)生驅(qū)動信號，其時序如圖3所示。圖中的SHUTTER-CON信號是內(nèi)部電路對快門的控制信號" title="控制信號">控制信號，快門實(shí)際動作情況（SHUTTER-OPEN和SHUTTER-CLOSE）也如圖所示，它開啟和關(guān)閉的動作要遲后于控制信號；圖中的快門已開信號可以提供給外部電路作為事件觸發(fā)的控制信號。這種設(shè)計思想防止了在快門開啟階段產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并引發(fā)實(shí)驗事件從而導(dǎo)致丟失信號的情況，并且保證了在快門完全關(guān)閉之后CCD才結(jié)束光積分并開始進(jìn)行轉(zhuǎn)移，防止了因快門未完全關(guān)閉可能引起的圖像“拖尾”問題。
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??? CCD光積分時間由一個12位的數(shù)字預(yù)置電路設(shè)置，計數(shù)脈沖頻率為1kHz，因此可設(shè)置的最大光積分時間為4095ms，設(shè)置的步進(jìn)為1ms，并且可靈活設(shè)置CCD的曝光時間而不改變其轉(zhuǎn)移的總時間[2]，不會增加其暗本底信號。但由于機(jī)械快門打開和關(guān)閉時間的不穩(wěn)定性，將導(dǎo)致所要求的光積分時間與設(shè)置時間不完全一致，因此對所要求的光積分時間有一個最小值限制，一般為10ms左右。
??? 每幀的啟動可以由外部觸發(fā)脈沖TRG（外同步方式、等待式）或內(nèi)部的幀結(jié)束信號FRAME-END（連續(xù)方式）控制。在每幀的第517行及相應(yīng)的第577像元所對應(yīng)的CLK-S的最后一個狀態(tài)產(chǎn)生幀結(jié)束信號FRAME-END。
2.2 串行像元驅(qū)動時序
??? 如前所述，像元驅(qū)動時序采用精細(xì)時序的驅(qū)動原理，一個像元的驅(qū)動分為12個狀態(tài)，并產(chǎn)生與每行像元數(shù)控制及行控制有關(guān)的信號，如行結(jié)束信號、行啟動信號、像元數(shù)計數(shù)時鐘等，如圖4所示。由于采用精細(xì)的狀態(tài)劃分，輸出信號處理（相關(guān)雙取樣CDS電路[3]）所需的脈沖控制信號如SW的寬度可按照要求以一個主頻脈沖的寬度增加或縮短；驅(qū)動脈沖S1、S2、S3的寬度也可以改變，但必須符合三相驅(qū)動的交迭驅(qū)動原理要求。圖中的CLK-S作為每行像元數(shù)的計數(shù)脈沖，同時兼作行轉(zhuǎn)移驅(qū)動脈沖的同步脈沖以保證行及串行驅(qū)動脈沖電平的平穩(wěn)過渡。
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??? 在每行的串行轉(zhuǎn)移開始，以CLK-S作為每行像元數(shù)的計數(shù)脈沖對每行輸出的像元數(shù)進(jìn)行計數(shù)；而在每一個CLK-S期間，按照要求產(chǎn)生串行驅(qū)動所需的S1、S2及S3驅(qū)動脈沖，同時也產(chǎn)生輸出處理所需的相關(guān)脈沖，如復(fù)位脈沖SA及CDS所需的SW信號。在串行轉(zhuǎn)移的有效期間，直接置位P1和復(fù)位P2、P3及TG，使光敏面上的信號電荷包保持不動而只有串行輸出寄存器中的信號電荷包發(fā)生轉(zhuǎn)移。當(dāng)每行像元數(shù)計數(shù)值達(dá)到了預(yù)設(shè)置的577時，將會在CLK-S的最后一個狀態(tài)產(chǎn)生一個串行轉(zhuǎn)移結(jié)束信號以啟動行間轉(zhuǎn)移，如圖4所示。中間還需要其它的控制信號參加，在此不作多述。
??? 像元數(shù)設(shè)置、計數(shù)控制電路是由一個12位的數(shù)字寄存器及相應(yīng)的計數(shù)控制電路組成，可對每行像元數(shù)多達(dá)4096的CCD的串行驅(qū)動進(jìn)行控制。
2.3 行間轉(zhuǎn)移驅(qū)動時序
??? 該時序主要涉及P1、P2、P3和TG。串行結(jié)束信號啟動一個行間轉(zhuǎn)移，同時P1、P2、P3也要符合三相交迭驅(qū)動原理，因此設(shè)計的行間轉(zhuǎn)移時序如圖4所示。為了充分將轉(zhuǎn)移到P3相電極下的電荷包盡量轉(zhuǎn)移到S1相電極下，TG的寬度至少要與P3的寬度相同，但本驅(qū)動器中將TG的寬度設(shè)計為整個行間轉(zhuǎn)移的寬度以提高轉(zhuǎn)移效率，這點(diǎn)與圖1所示稍有不同，但不影響CCD的實(shí)際驅(qū)動。
??? P1同時作為每幀行數(shù)目控制的計數(shù)脈沖。當(dāng)每幀行計數(shù)達(dá)到517并且每行像元計數(shù)達(dá)到577時，也會在CLK-S的最后一個狀態(tài)產(chǎn)生一個幀結(jié)束信號，該信號可以用于啟動下一幀的開始或觸發(fā)快門開啟控制電路而進(jìn)入下一幀的工作時序。
??? 行數(shù)設(shè)置、計數(shù)控制電路也是由一個12位的數(shù)字寄存器及相應(yīng)的計數(shù)控制電路組成，可對每幀行數(shù)多達(dá)4096的CCD的行驅(qū)動進(jìn)行控制。
3 驅(qū)動器時序設(shè)計的關(guān)鍵
??? 每種狀態(tài)的結(jié)束時刻和啟動時刻的設(shè)計要求脈沖電平過渡平穩(wěn)而緊密，必須嚴(yán)防驅(qū)動脈沖的電平在一個像元的驅(qū)動期間發(fā)生倒轉(zhuǎn)或變化，才能保證光敏區(qū)產(chǎn)生的電荷包的正常轉(zhuǎn)移和讀出。在設(shè)計過程中，將主頻進(jìn)行十二分頻后形成的CLK-S脈沖作為串行、并行轉(zhuǎn)移驅(qū)動脈沖之間的主要聯(lián)系，并且非常巧妙地利用了CLK-S的最后一個狀態(tài)進(jìn)行幀、并行、串行之間的無縫切換，保證了驅(qū)動脈沖電平的正常變化。
??? 原有驅(qū)動器是由TTL標(biāo)準(zhǔn)電路組成的，體積很大，并且電路噪聲較大；利用大規(guī)?？删幊唐骷?gòu)成復(fù)雜的CCD驅(qū)動器，具有體積小、速度快的特點(diǎn)，可減少系統(tǒng)體積（線路板面積），能有效降低數(shù)字驅(qū)動電路產(chǎn)生的噪聲。本驅(qū)動器的快門控制功能可以有效防止圖像拖尾，并且行數(shù)和像元數(shù)的設(shè)置方法具有改變方便的特點(diǎn)，無需重新設(shè)計就可以適用于同一類型、不同陣列的CCD驅(qū)動，進(jìn)一步的發(fā)展還可以為用單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及功能擴(kuò)展提供平臺。
參考文獻(xiàn)
1 王軍波，孫振國，陳 強(qiáng)等．高速CCD攝像機(jī)驅(qū)動時序發(fā)生器的設(shè)計及基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)．光學(xué)技術(shù)，2002；3(2)：132～134
2 江孝國，祁雙喜，王婉麗等．CCD輸出信號的低噪聲處理電路研究[J]．光電子·激光，2001；12（11）：1126～1129