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TCD1501C型CCD图像传感器的原理、性能特点及驱动电

1、小序

电荷耦合器件(CCD.Charge(Couple Device)是20世纪60年代末期呈现的新型半导体器件。今朝跟着CCD器件机能赓续前进。在图像传感、尺寸丈量及定位测控等领域的利用日益广泛.CCD利用的前端驱动电路资源价格昂贵,而且机能指标受到临盆厂家技巧和工艺水平的制约。给用户带来很大年夜的不便。CCD驱动器有两种:一种是在脉冲感化下CCD器件输出模拟旌旗灯号,经后端增益调剂电路进行电压或功率放大年夜再送给用户:另一种是在此根基上还包孕将其模拟量按必然的输出款式进行数字化的部分,然后将数字信息传输给用户,平日的线阵CCD摄像机就指后者,外加机器扫描装配即可成像。以是根据不合利用领域和技巧指标要求。选择不合型号的线阵CCD器件,设计方便机动的驱动电路与之匹配是CCD利用中的关键技巧之一。

本文以TCD1501C型CCD图像传感器为例。先容了其机能参数及外围驱动电路的设计。驱动时序参数可以经由过程VHDL法度榜样机动设置。该电路已成功开拓并利用于某型非打仗式位置丈量产品中。

2、CCD事情道理

CCD因此电荷作为旌旗灯号,而不合于其他大年夜多半器件因此电流或者电压为旌旗灯号,其基础功能是旌旗灯号电荷的 孕育发生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时.CCD首先完成光电转换。即孕育发生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的事情道理是被摄物体反射毫光到CCD器件上.CCD根据光的强弱积聚响应的电荷。孕育发生与光电荷量成正比的弱电压旌旗灯号,颠末滤波、放大年夜处置惩罚,经由过程驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电旌旗灯号或标准的视频旌旗灯号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的道理,线阵CCD可以实现图像传感和尺寸丈量的功能。图1为CCD光谱相应曲线。

3、 驱动电路的实现

线阵CCD TCD1501C的主要技巧指标如下:像敏单元数为5 000;像元尺寸为7μm×7μm;像元中间距为7μm;像元总长为35 mm;光谱相应范围为400 nm-1000 nm.光谱相应峰值波长为550 nm,灵敏度为10.4 V/lx.s~15.6 V/lx.s。使CCD芯片正常事情的驱动电路主要有两大年夜功能。一是孕育发生CCD事情所需的多路时序脉冲。二是对CCD输出的原始模拟旌旗灯号进行处置惩罚,包括增益放大年夜、差分旌旗灯号到单端旌旗灯号的转换。着末驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。

3.1 基于VHDL的驱动时序设计

本部分设计是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10,在ISE6.1情况下开拓实现的。CCD器件必要繁杂的三相或四订交叠驱动脉冲,多半面阵CCD都是三相或四相驱动,多半线阵CCD都是二相驱动。本文以二相线阵CCD图像传感器TCD1501C为例,实现了用CPLD完成的驱动电路设计。CCD为容性负载,事情频率高时有必然的功耗,是以必要对CPLD输出的复位脉冲RS、移位脉冲(又称光积分脉冲)SH、箝位脉冲CP、采保脉冲SP,以及二相时钟脉冲中Φ1E、Φ2E等各路驱动脉冲采纳74HC14进行整形和驱动能力的放大年夜。然后再送至TCD1501C器件的响应输入端,在CCD的模拟旌旗灯号输出端将获得旌旗灯号0S和补偿旌旗灯号DOS。TCD1501C范例的最佳事情频率是1MHz,该器件具有5 000个有效像元输出。TCDl501C正常事情时要有76个哑像元输出。一个扫描行周期内至少应包孕有5 076个时钟脉冲,即TSH》5076×Φ1E 0.1μs,在本设计中TSH=5200×Φ1E。由此可见,改变时钟脉冲频率或增添光积分脉冲周期内的时钟脉冲数,可以改变光积分周期,平日Φ1E的频率设置为可调节的,这样可以根据CCD器件的实际利用情况机动运用CCD器件的优点以改变光积分光阴。只要前提容许,为低落CCD的电荷转移丧掉率。CCD驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率低落时,可以在示波器上察看到CCD输出旌旗灯号幅值显着增强。图2所示为CCD事情波形。

下面是孕育发生时序脉冲的VHDL法度榜样:

3.2基于AD623的CCD输出旌旗灯号差分驱动设计

CCD在驱动脉冲的感化下,经移位寄存器顺序输出视频旌旗灯号,复位脉冲RS每复位一次,CCD输出一个光脉冲旌旗灯号。因为TCD1501C旌旗灯号检测采纳选通电荷积分器布局。使其视频输出旌旗灯号中叠加了一些由周期性复位旌旗灯号RS引起的串扰旌旗灯号。而且有效旌旗灯号幅值较小,约为500 mV。直流电压约有4.1V。这是一组范例的共模电压较高、有效差模旌旗灯号较低的差分旌旗灯号,旌旗灯号波形如图3和图4所示。以是模拟旌旗灯号输出在进行后续处置惩罚(包括长线传输、A/D转换等)之前要进行一系列预处置惩罚,打消视频旌旗灯号中的复位脉冲串扰及其他滋扰,将微弱的视频旌旗灯号进行幅值放大年夜及驱动能力的放大年夜。因为是对差分旌旗灯号的处置惩罚,以是先评论争论一下差分电路的基础观点。图5为差分旌旗灯号丈量电路里差模和共模电压示意图,VDIFF是旌旗灯号差模电压,VCM是旌旗灯号共模电压,旌旗灯号输出VOUT=R2/R1·VDIFF=G·VDIFF抱负状态下,一样平常差模增益G≥1,而共模增益(%mismatch/100)×G/(G+1)靠近于零,是以可以看出共模增益主如果电阻不匹配的函数,在实际丈量电路中可能会因为电阻值的微小不匹配而导致两个输入真个共模电压不同等,而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比(CMRR)便是差模增益G与共模增益的比值。用对数形式表示:201g[(100/%mismatch)×(G+1)]。实际工程利用中,电路事情在一个很大年夜的噪声源中。如50 Hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线旌旗灯号的传输噪声,这些滋扰旌旗灯号感化在差分输入端,将会在输出端孕育发生一个共模旌旗灯号,是以差分旌旗灯号处置惩罚除了要求有高的DC CMRR.还要有高的AC CMRR。

在电路设计中选用了ADI公司的仪器仪表放大年夜器AD623.内部布局道理如图6所示。

AD623集成了3路运放。可单电源或双电源事情,具有较高的CMRR和极低的电压漂移,除了一个节制可编程增益的外接电阻外,所有元件都集成在内部,前进了电路温度稳定度和靠得住性。利用AD623的CCD模拟旌旗灯号处置惩罚电路如图7。将视频旌旗灯号及其补偿输出分手送至AD623的反相和同相输入端。在AD623的输出端接一级射极跟随器以增强旌旗灯号的驱动能力。选用该器件可打消采纳通俗运放和外围电阻所引起的输出旌旗灯号的温度漂移。

4、 停止语

基于上述开拓的线阵CCD驱动器已调试成功。并且用于某位置丈量系统中,事情稳定靠得住。本设计规划只要再拓展AD转换部分就可以利用于成像系统的前端。

责任编辑:gt

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