线阵CCD相机电路设计

    电耦合器件(CCD)技术的迅速发展,为成像、探测等领域高性能仪器的研究提供了新的机遇。CCD在结构上分为线阵CCD和面阵CCD,相对于面阵CCD来说,线阵CCD仪器具有高分辨力、高速等等优点,适用于高精度、远距离以及需要高速拍摄的工作环境和科学研究领域。因此,对线阵CCD相机的研究,有着非常重要的意义。

    1 整体设计

    线阵CCD相机的电路系统由线阵CCD芯片、CCD驱动时序发生器、CCD模拟信号前端处理电路(Analog Front End,AFE),输出接口等模块组成。其整体框图如图1所示。

    CCD芯片不像普通集成电路那样加上电源就能工作,它需要一定的时序驱动脉冲才能正常工作。同时CCD芯片输出的模拟信号需要进行适当的处理才能进行A/D转换,所以选择适当的A/D转换芯片显得十分重要。输出接口决定了数据传输的速度和可靠性,所以选择合适的输出接口也非常重要。

    2 各模块详细设计及实现

    2.1 线阵CCD芯片选择

    线阵CCD的像元大小和像元数目决定了相机的分辨率和测量范围。本文描述的线阵CCD相机主要用在角度测量装置上,像元的大小决定了测量的分辨率,所以像元越小越好。本文选择了东芝公司的TCD1501C线阵CCD芯片,它的主要指标如下:像元大小: 7um;有效像元数: 5000。

    2.2 CCD驱动时序发生器

    线阵CCD芯片需要几路时序脉冲才能正常工作,而不同CCD芯片的时序脉冲又各不相同,所以没有统一的CCD芯片驱动器。针对每种CCD芯片,每位设计者需自行设计驱动时序发生器。常规的时序发生器构成方法有以下几种:专用IC时序发生器(通常用于面阵CCD),普通集成电路构成,单片机I/O口驱动,可编程逻辑器件构成。在以上各种方法中,可编程逻辑器件构成时序发生器最为简单,非常灵活,调试方便。本文就采用这种方法设计TCD1501C的时序脉冲,各个脉冲关系如图2所示。B、E、O为驱动时钟,它们分别有两相,分别是1B、2B、1E、2E、1O、2O,前缀1、2分别表示第一、二相,下列三幅图取的都是第二相; SH为转移栅脉冲(高电平有效); CP为钳位栅脉冲(低电平有效);RS为复位栅脉冲(低电平有效)。

    需要注意的是采样保持脉冲SP(低电平有效)。如果按照数据手册,提供SP脉冲, CCD输出的信号如图3虚线所示(实线是始终为低电平的输出结果), SP这样无法进行相关双采样。为了能进行相关双采样,需要使SP始终为低电平(始终有效)。

    驱动脉冲可用两个参数描述: (1)脉冲宽度(脉冲占空比); (2)各个脉冲的相位关系。利用可编程逻辑器件构成时序发生器,调试非常方便。可以改变各脉冲的占空比和相位关系,然后查看CCD输出信号,最终能得出最佳的驱动脉冲。