??? 摘 要: 針對(duì)512×512的TK512B面陣CCD的驅(qū)動(dòng)要求，采用靈活的數(shù)字式設(shè)置方法，設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)的革命來臨了。針對(duì)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(dòng)功能也越來越完善。針對(duì)TK512B面陣型CCD的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)要求及用戶使用模式的要求，對(duì)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(dòng)方法，而對(duì)于每個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)則采用多狀態(tài)的譯碼工作原理，以便在一個(gè)像元的時(shí)序內(nèi)達(dá)到更準(zhǔn)確的精細(xì)時(shí)序驅(qū)動(dòng)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(shí)序設(shè)計(jì)方法。CCD驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)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(hào)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(huì)丟失圖像信息和嚴(yán)重影響CCD工作。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器很好地做到了各種狀態(tài)的切換，完全滿足CCD的驅(qū)動(dòng)要求。
1 TK512B的驅(qū)動(dòng)時(shí)序
??? TK512B面陣CCD是三相驅(qū)動(dòng)型的，其典型的驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)所轉(zhuǎn)移來的信號(hào)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(hào)；當(dāng)進(jìn)入光積分期間時(shí)，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(hào)電荷包；當(dāng)光積分完成時(shí)，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(dòng)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(hào)的串行輸出，轉(zhuǎn)移到串行寄存器中的一行信號(hào)在S1、S2、S3的驅(qū)動(dòng)下將逐個(gè)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(hào)繼續(xù)保持在P1相電極下，直到下一個(gè)行傳輸?shù)拈_始；當(dāng)一行串行信號(hào)轉(zhuǎn)移完時(shí)，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(hào)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(duì)該陣列進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(gè)像元為無效信號(hào)單元，在數(shù)據(jù)采集或圖像處理時(shí)應(yīng)注意。
2? CCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)序、行及像元轉(zhuǎn)移的平穩(wěn)過渡要求，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器框圖如圖2所示。圖中包括快門及幀積分控制、行驅(qū)動(dòng)控制、像元驅(qū)動(dòng)控制及各種控制電路的時(shí)鐘控制等。圖中的中心控制電路主要負(fù)責(zé)各驅(qū)動(dòng)時(shí)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(duì)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(dòng)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(hào)去控制電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其時(shí)序如圖3所示。圖中的SHUTTER-CON信號(hào)是內(nèi)部電路對(duì)快門的控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào)，快門實(shí)際動(dòng)作情況（SHUTTER-OPEN和SHUTTER-CLOSE）也如圖所示，它開啟和關(guān)閉的動(dòng)作要遲后于控制信號(hào)；圖中的快門已開信號(hào)可以提供給外部電路作為事件觸發(fā)的控制信號(hào)。這種設(shè)計(jì)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(yàn)事件從而導(dǎo)致丟失信號(hào)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(shí)間由一個(gè)12位的數(shù)字預(yù)置電路設(shè)置，計(jì)數(shù)脈沖頻率為1kHz，因此可設(shè)置的最大光積分時(shí)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(shí)間而不改變其轉(zhuǎn)移的總時(shí)間[2]，不會(huì)增加其暗本底信號(hào)。但由于機(jī)械快門打開和關(guān)閉時(shí)間的不穩(wěn)定性，將導(dǎo)致所要求的光積分時(shí)間與設(shè)置時(shí)間不完全一致，因此對(duì)所要求的光積分時(shí)間有一個(gè)最小值限制，一般為10ms左右。
??? 每幀的啟動(dòng)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(hào)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(duì)應(yīng)的CLK-S的最后一個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生幀結(jié)束信號(hào)FRAME-END。
2.2 串行像元驅(qū)動(dòng)時(shí)序
??? 如前所述，像元驅(qū)動(dòng)時(shí)序采用精細(xì)時(shí)序的驅(qū)動(dòng)原理，一個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)分為12個(gè)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(hào)，如行結(jié)束信號(hào)、行啟動(dòng)信號(hào)、像元數(shù)計(jì)數(shù)時(shí)鐘等，如圖4所示。由于采用精細(xì)的狀態(tài)劃分，輸出信號(hào)處理（相關(guān)雙取樣CDS電路[3]）所需的脈沖控制信號(hào)如SW的寬度可按照要求以一個(gè)主頻脈沖的寬度增加或縮短；驅(qū)動(dòng)脈沖S1、S2、S3的寬度也可以改變，但必須符合三相驅(qū)動(dòng)的交迭驅(qū)動(dòng)原理要求。圖中的CLK-S作為每行像元數(shù)的計(jì)數(shù)脈沖，同時(shí)兼作行轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)脈沖的同步脈沖以保證行及串行驅(qū)動(dòng)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(jì)數(shù)脈沖對(duì)每行輸出的像元數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；而在每一個(gè)CLK-S期間，按照要求產(chǎn)生串行驅(qū)動(dòng)所需的S1、S2及S3驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)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(hào)。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(hào)電荷包保持不動(dòng)而只有串行輸出寄存器中的信號(hào)電荷包發(fā)生轉(zhuǎn)移。當(dāng)每行像元數(shù)計(jì)數(shù)值達(dá)到了預(yù)設(shè)置的577時(shí)，將會(huì)在CLK-S的最后一個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)串行轉(zhuǎn)移結(jié)束信號(hào)以啟動(dòng)行間轉(zhuǎn)移，如圖4所示。中間還需要其它的控制信號(hào)參加，在此不作多述。
??? 像元數(shù)設(shè)置、計(jì)數(shù)控制電路是由一個(gè)12位的數(shù)字寄存器及相應(yīng)的計(jì)數(shù)控制電路組成，可對(duì)每行像元數(shù)多達(dá)4096的CCD的串行驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。
2.3 行間轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)序
??? 該時(shí)序主要涉及P1、P2、P3和TG。串行結(jié)束信號(hào)啟動(dòng)一個(gè)行間轉(zhuǎn)移，同時(shí)P1、P2、P3也要符合三相交迭驅(qū)動(dòng)原理，因此設(shè)計(jì)的行間轉(zhuǎn)移時(shí)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(dòng)器中將TG的寬度設(shè)計(jì)為整個(gè)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(dòng)。
??? P1同時(shí)作為每幀行數(shù)目控制的計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)每幀行計(jì)數(shù)達(dá)到517并且每行像元計(jì)數(shù)達(dá)到577時(shí)，也會(huì)在CLK-S的最后一個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生一個(gè)幀結(jié)束信號(hào)，該信號(hào)可以用于啟動(dòng)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(shí)序。
??? 行數(shù)設(shè)置、計(jì)數(shù)控制電路也是由一個(gè)12位的數(shù)字寄存器及相應(yīng)的計(jì)數(shù)控制電路組成，可對(duì)每幀行數(shù)多達(dá)4096的CCD的行驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。
3 驅(qū)動(dòng)器時(shí)序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵
??? 每種狀態(tài)的結(jié)束時(shí)刻和啟動(dòng)時(shí)刻的設(shè)計(jì)要求脈沖電平過渡平穩(wěn)而緊密，必須嚴(yán)防驅(qū)動(dòng)脈沖的電平在一個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(gè)狀態(tài)進(jìn)行幀、并行、串行之間的無縫切換，保證了驅(qū)動(dòng)脈沖電平的正常變化。
??? 原有驅(qū)動(dòng)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)模可編程器件構(gòu)成復(fù)雜的CCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路產(chǎn)生的噪聲。本驅(qū)動(dòng)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(jì)就可以適用于同一類型、不同陣列的CCD驅(qū)動(dòng)，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(tái)。
參考文獻(xiàn)
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2 江孝國，祁雙喜，王婉麗等．CCD輸出信號(hào)的低噪聲處理電路研究[J]．光電子·激光，2001；12（11）：1126～1129