基于FPGA的行间转移面阵CCD驱动电路设计

　　1、引言

　　电荷耦合器件(CCD)是一种光电转换式图像传感器，它将图像信号直接转换成电信号。由于CCD具有集成度高、低功耗、低噪声、测量精度高、寿命长等诸多优点，因此在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中得到了广泛的应用[1]。面阵列CCD成像器件分为全帧转移(FullFrame)CCD、帧转移(Frame.Transfer)CCD、行间转移(InterlineTransfer)CCD三种类型。行间转移CCD中的成像区与存储区呈列交错，因此不需要机械快门，速度最快且能连续成像;同时在真正的成品中，会在每个像素上加微透镜从而弥补了填充因子小的缺点。典型的消费级的相机，一般用的都是行间转移CCD。

　　CCD器件需要驱动脉冲信号才能正常工作，而驱动电路就为CCD提供所需的时序逻辑和相关的电压信号，所以驱动电路的研制就显得十分的重要。CCD的驱动电路主要由供电模块、驱动器电路和驱动时序产生电路三部分组成。常用的几种CCD驱动时序产生方法包括：中小规模数字逻辑电路驱动方法、使用只读存储器方法、微处理器或数字信号处理器(DSP)、使用可编程逻辑器件，CPLD或FPGA等。本文中驱动时序采用第三种方法可编程逻辑器件FPGA来实现。

　　2、KodakCCDKAI-0340简介

　　KAI-0340是Kodak公司生产的一款行间转移型面阵CCD，单(双)通道输出可选择(本文中选用单通道输出模式)。主要的性能参数如下：

　　具有以下特征：

　　·水平、垂直均为两相驱动，其中一相垂直转移时钟为三电平

　　·电子快门

　　·低暗电流、高灵敏度

　　·每行左右两端各有24个暗像元，可以作为暗电平参考

　　3、CCD供电模块

　　为了保证CCDKAI-0340S正常工作，需要的驱动电压和直流偏置电压具体要求如表1所示。

　　对表1进行分析可知：只需+15V和-9V两组电压就可实现对CCD的基本偏置;H1、H2水平移位驱动工作电压峰峰值为5V(-5V~0V)，R复位驱动的工作电压峰峰值也为5V(-3V~+2V)，因此取+5V作为水平和复位驱动时钟的工作电压;V1垂直转移的工作电压9V(-9V~0V)，V2为三电平(-9V、0V、+9V)，从而取±9V作为垂直驱动时钟的工作电压;电子快门脉冲电压为VAB~VAB+40V(峰峰值为40V)，需要±20V电路来实现。同时结合整个CCD成像系统供电需求，得出所需电压电平种类为：+3.3V，+5V，±9V，+10V，+15V，±20V。为了提高系统的电源效率，设定整个供电系统的外部输入电压为三种：+5V，-10V，+15V。+9V、+10V和+3.3V电压通过集成稳压器LT1764EQ和LT1764EQ-3.3来实现;-9V通过-10V电压分压得到;产生电子快门高压脉冲所需±20V电源采用±10V脉冲倍压电路实现，具体电路的原理图如图1所示[2]。经实际应用表明，电源模块满足各功能电路所需电压及功耗。