基于赛灵思Spartan-3 FPGA的面阵CCD驱动电路设计

CCD(Charge Coupled Devices)电荷耦合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。近30年来，CCD器件及其应用技术的研究取得飞速进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展尤为迅速，它具有噪声低、光谱响应宽、精度和灵敏度高、可靠性好等优点。CCD成像系统主要由光学系统、驱动电路、信号处理电路和图像处理电路组成。
    本文主要介绍CCD传感器驱动电路的设计，包括驱动时序产生电路、电源变换电路和驱动器电路。其中，驱动时序产生电路向CCD传感器提供正常工作所需要的各种时序脉冲；电源变换电路向CCD提供正常工作时所需的各种直流偏置电压；驱动器电路用来提高驱动时序的驱动能力。

l CCD驱动时序电路的要求及实现
1．1 CCD图像传感器TH7888A
    CCD图像传感器采用ATMEL公司的TH7888A。它是一种高性能的帧转移面阵CCD器件，提供单路和双路两种输出方式，输出数据速率可达40 MHz，每秒30帧图像。TH7888A具有较低的暗电流及像元读出噪声，可用电子快门来调节曝光时间，性能优异。TH7888A由感光区，存储区和水平移位寄存器构成，有效像元数为1 024×1 024个。
    CCD的一个工作周期可分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。光积分阶段进行感光阵列的电荷积累，存储区到转移寄存器的电荷转移(行逆程)以及转移寄存器向输出放大器的电荷输出(行正程)；转移阶段主要进行帧转移，即将感光区的光积分电荷转移至存储区。要完成如上功能就要给CCD提供严格的驱动时序时钟。TH7888A的各驱动时序关系如图1所示。



    图1中，φPA为帧时钟，高电平时为光积分阶段，低电平时为电荷转移阶段。φP1～φP4为帧转移脉冲，在光积分阶段时不变，在电荷转移阶段时同行转移控制信号φM1～φM4一起完成整帧的转移。在光积分阶段，行逆程状态时，帧存储区各行的信号电荷在行转移信号φM1，φM4控制下向水平移位寄存器方向平移一行，读出寄存器时钟φL1，φL2不变；行正程状态时，水平移位寄存器中的像元电荷在读出寄存器时钟φL1，φL2的控制下逐次经过输出放大器输出。每读出一行信号，进行一次行转移。一帧图像传完后，再进行下一帧图像的帧转移。
1．2 基于FPGA的CCD驱动时序的实现
    可编程逻辑器件FPGA具有集成度高、速度快、可靠性好及硬件可编程的特点，开发灵活、易于维护、非常适合CCD驱动的设计。设计选用的是Xilinx公司Spartan3系列的XC3S50，在分析CCD驱动时序关系的基础上，采用硬件编程语言VHDL编写，开发软件为ISE 10．1。

    程序输入为40 MHz主时钟CLK，由外部晶振提供，输出为十三路驱动信号。设计采用单路输出的方式，输出数据速率选为10 MHz。使用全部1 024×1 024个有效像元，在水平方向上，有效像元加上隔离元、黑参考元等共1 056个像元。在垂直方向上有效像元加上哑像元、黑参考元等共1 056行。进行适量冗余设计，再考虑帧转移和行转移所占用的时间，帧频为每秒8帧。复位时钟OR由主时钟四分频得到。由于CCD各驱动信号间要严格地满足时序关系，且波形比较复杂，程序采用多进程，多计数器循环嵌套的方式实现。帧时钟φA为最外部循环，在光积分阶段，由行逆程和行正程组成第一部分内循环，由主时钟分频、计数设计完成，同时产生行脉冲信号，对行脉冲信号计数产生帧周期；在电荷转移阶段帧转移脉冲φP1～φP4(行转移控制信号φM1～φM4)组成第二部分内循环，信号间的时序关系由主时钟分频、移位实现。
    在设计上，需要注意以下两点：
    (1)帧转移脉冲φP1～φP4的占空比为5：3，因此先用一个八进制的计数器设计出占空比为5：3的脉冲，再由帧时钟φA的控制及移位操作来实现其严格的时序。
    (2)对于φA和φP1～φP4，手册上对其波形的边沿变化时间有限制，对于时间上限，由于信号从FPGA输出之后是通过驱动器EL7212驱动后送入CCD的，而EL7212输出波形的上升及下降时间的最大值已满足此上限要求；对于时间下限，可在CCD管脚附近增加电容和电阻调节波形边沿的陡峭度来满足要求。
1．3 CCD驱动时序的仿真
    设计采用ISE 10．1自带的仿真工具对时序进行仿真，并对Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50进行配置下载，通过功能仿真验证设计的可行性。驱动时序的仿真结果如图2，图3所示。




    由图可见，设计完成了CCD对驱动信号的要求。

2 电源变换电路
    CCD电路的工作电压取自二次电源。电路所需电压种类繁多，如CCD传感器需要+15 V电源和多种偏置电压，CCD驱动器需要+12 V，+9 V，+8 V，+4 V电源，FPGA正常工作需要的3．3 V，2．5 V，1．2 V等。为了减少二次电源的种类，并考虑到与其他部件电源的共用性，相机系统采用两种二次电源模块：+15 V，+5 V。上述各种电压均由这两种电源变换而得。为保证FPGA芯片工作的稳定，其电压由Xilinx公司专用的电源转换芯片提供。其他各种偏置电压的电源转换核心器件是LMll7。LMll7是正三端可调稳压器，这种稳压器具有良好的稳压性能，还具有短路保护、过流保护和温度保护功能。


    LMll7的输出电压范围为1．2～37 V，H封装负载电流最大为O．5 A，它的线性调整率和负载调整率比标准的固定稳压器好。通常LMll7输入端不需要外接电容，除非输入滤波电容到LMll7输入端的连线超过15 cm。图4为实现直流偏压+12 V的原理图。图中，2、3脚之间为1．25 V电压基准，改变R2阻值即可调整稳压电压值。输出电压为：


   




变化范围1．25～37 V可知R2／R1的比值范围是0～28．6；其次，LMll7有一个最小稳定工作电流，一般为1．5 mA，如果低于此值，可能会出现稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大的现象。因此，通过设定R1和R2阻值的大小，保证V0／(R1+R2)≥1．5 mA，就能使LMll7在空载时稳定地工作。设计选择R1阻值为240 Ω，R2即可算出。R2选用电位器，便于调试；二极管D1，D2用于保护LMll7；输出电容C1能改变瞬态响应；调整端使用滤波电容C2能得到比标准三端稳压器高的纹波抑制比。


3 CCD驱动器
    CCD驱动部分的作用是把CCD时序产生单元输出的各种转移脉冲信号进行功率放大，以满足CCD对驱动波形电压及电流以及时序的要求。驱动信号的好坏会对CCD的电荷转移效率产生较大的影响，从而影响成像的质量。设计中使CCD正常工作需要的驱动信号和复位信号共13种，这些信号的电压共有4种，不同的电压由上述电源转换器LMll7转换输出，再进入驱动器芯片对驱动信号和复位信号进行驱动。由于CCD为容性负载，在较大电压摆幅的情况下需要在快速的变化沿时能够提供足够大的瞬态驱动电流，因此要选择工作电流足够大的器件以满足要求。芯片选用的是Intersil公司的EL7212，和常用的ICL7667，DS0026相比，EL7212在速率、驱动能力、反应时间、抑噪等各方面表现更为优秀，其上升沿和下降沿变化得更快，容性负载为1 000 pF时的典型值为10／13 ns，更适合用于高速相机。EL7212为单电源工作方式，其应用电路如图5所示。图5中，电阻R1用于减小内部功耗，电阻R2和电容用于防止过冲，电容尽量靠近管脚。




4 结语
    在分析面阵CCD传感器TH7888A的工作原理和驱动信号要求的基础上，采用可编程逻辑器件FPGA和硬件描述语言VHDL设计出合理的驱动信号时序，并选用高性能的电压转换芯片和驱动器保证CCD的正常稳定工作。实验结果表明，设计的CCD驱动电路较好地满足了CCD的工作要求。