基于电子快门自动增益的CCD驱动电路研究

引言

　　CCD是以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，目前市场上的CCD器件并未对其驱动信号、输出信号做任何处理。因此，在实际应用中，需要根据CCD的型号、用途和应用领域的不同而设计不同的驱动电路，以及数据采集、处理系统。CCD 的光积分时间决定着CCD的曝光量，在不同的光照强度下，需要的实际光积分时间不同。光强较弱时需要较长的光积分时间，以使光敏单元吸收到足够的光信息；相反，光强很强时，光积分时间不能太长，否则CCD的输出信号会饱和失真，不能准确地反应要测量的信息。因此要得到精确的测量信号，就需要实时的调节光积分时间。

　　CCD传感器必须在一定的驱动脉冲的作用下才可以完成信号电荷的转移、输出。在一定的驱动频率内，提高驱动信号的频率则会加怏电荷包的移动，从而提高测量速度；反之，降低驱动信号的频率则会降低测量速度。因此要提高测量速度就要提高驱动信号的频率，而在某些场合需要将光积分时间提高到10us时，就需要将时钟频率提高到几百兆，频率太高又引出更难、更复杂的问题，而且这种方法下测量速度的提离空间也是有限的。

　　本文的主要任务就是解决上述的CCD目前在其应用领域中存在的不足。

　　1 TCD1304的特性及驱动信号要求

　　TCD1304 是一款高灵敏度、低暗电流，具有3648个像元（46个哑元）的线阵图像传感器，可以用于终端的人工扫捕器。TCD1304的一大特性就是具有电子开关，而电子开关的主要功能是可以使CCD的输出信号根据光照的强弱实时的进行调整。其各管脚的名称及作用如表1所示。

表 1 TCD1304 管脚名称及功能介绍

其内部结构由光电二极管和电荷转移电极组成的光敏单元、两个CCD模拟移位寄存器、两个转移栅、输出缓存机构和驱动信号内部逻辑电路五个部分组成。

　　各驱动脉冲的时序要求如图1所示；OS 为CCD的输出信号。

　　如图1所示，帧转移信号SH两个连续下降沿之间的时间tINT即为光积分时间，在这段时间光敏单元开始将接收到的光信号转化为电信号，并将电荷包按奇偶顺序转移到模拟移位寄存器中。该时间的长短不再依赖于基础时钟信号ΦM，与传统的其他型号的CCD有很大不同。只需要调节脉冲的占空比FF可实现对光积分时间的调整，可以很大程度地缩短tINT，同时不需要改变基础时钟的频率，避免了高频干扰。

　　在光积分时间范围内，伴随着复位脉冲上升沿的到来CCD光敏单元开始产生反映光信息的电荷包。电荷包以奇偶顺序被送到光敏单元两旁的转移栅中，在数据时钟的驱动下经过CCD内部数据处理电路输出OS信号。

图1 TCD1304的驱动脉冲波形图

　　2 驱动信号的硬件实现电路

　　驱动信号硬件电路的整体框图如图2所示：采用高稳定性的有源晶振产生基础脉冲信号CP，再通过计数分频产生两个脉冲信号，经过J－K触发器，分时选通，即可得到复位脉冲信号ICG，以ICG为触发信号，触发单稳触发器CD4538生成占空比可调的帧转移信号SH。

　　因此，缩短光积分时间只要调节SH信号的占空比即可，不需要再提高基础时钟的频率。

图2 驱动电路整体框图

　　图3即为复位脉冲ICG、帧转移信号SH的实验调试结果，实验表明，此种原理调节光积分时间更加灵活方便，而且稳定度好、精度高。

图3 ICG，SH波形时序图

　　3 数据采集及自动增益控制的实现

　　自动增益控制的实现主要是通过控制CCD的输出信号使其保持在一定范围内，既不会因峰值过大而饱和失真，也不会困峰值太小而影响测量精度。这个范围的确定可根据实际需要确定。峰值大于范围上限时缩光积分时间，避免出现饱和失真的现象。反之，当小于范围下线时延长光积分时间，以使光敏单元得到足够的曝光量。

　　CCD的输出信号是模拟量，需要经过一系列的处理，放大、倒相、峰值保持等，将得到的峰值信号经过A/D转换送入单片机。单片机通过得到的数字量发出控制命令，调节单稳触发器的数字式电位计，改变SH信号的占空比，光积分时间也随之改变，实现自动增益控制。

　　整体框图如图4所示。

图4 数据采集系统整体框图

　　A／D 转换选择的是8位逐位逼近式双通逍A／D转换器ADC0832，最高分辨率可达2ˉ8，可以适应一般模拟量的转换要求，且转换速度怏、稳定性能强。单片机选择的是美国ATMAL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机AT89C2051。兼容标准的MCS－51指令系统，片内置能用8位中央处理器和FLASH存储单元。可重擦写。

　　自动增益控制流程图如图5所示。

自动控制制积分时间主要是通过调节SH信号的占空比，因此，以单稳触发器为核心的脉冲发生器设计部分选用了数字式电位计X9C103。可以通过单片机发送指令改变阻值，从而改变脉冲发生器的输出信号。经过多次调试得