基于CCD星载相机图像采集电路设计与实现

传感器无像素电荷输出。FTT1010M行转移时序如图4所示。

在行正程阶段，SSC为低电平，行转移信号B1、B2、B3、B4不发生变化，水平移位寄存器中的像素电荷在像素转移信号C1、C2、C3的控制下逐次经过输出放大器输出，每输出一行信号后，进行一次行转移。FTT1010M像素读出时序如图5所示。

在转移阶段，帧转移控制信号A1、A2、A3、A4与行转移控制信号B1、B2、B3、B4同时作用，交叠变化，将感光区积累的电荷逐行转移到存储区，而在这段时问内像素转移信号C1、C2、C3不起作用，不向外输出电荷。完成整个转移阶段后，又再次进入感光阶段，如此循环往复来保证图像传感器的工作。FTT1010M帧转移时序如图6所示。

3 CCD偏置电压电路
若要使CCD图像传感器芯片正常工作，就需要向CCD提供使其正常工作所需的偏置电压。FTT1010M所需的偏置电压有VNS、VPS、SFD、RD、OG等，它们的参数如图7所示。设计时，作者采用的电压转换方案是使用低纹波的转换芯片搭配转换电路，VNS(24V)由外接28V电压通过DC／DC变换器LT3060得出，SFD由VNS通过电平转换电路得出，VPS、RD与OG由SFD的分压引出。

4 CCD驱动电路
FTT1010M工作时所需的各种脉冲信号的电压如图8所示。

A、B驱动时钟的低位电平为0V，由图8可以看到，在感光阶段，A、B驱动时钟的高位电平为+10V，转移阶段时，A、B驱动时钟的高位电平为+14V。这里我采用EL7156来实现高位电平之间的转换，采用EL7457来实现低位到高位电平的转换。水平读出时钟C需要的低电平不是0V而是3．5V，高电平为8．5V，而FPGA给出的时钟脉冲是低电平为零，高电平为3．3V的脉冲。因此，需要将FPGA产生的时钟通过驱动芯片SN74ALVC164245DGGR进行驱动，使时钟C的幅值达到5V，然后再通过箝位电路的耦合作用来提高脉冲电平，把脉冲提到需要的幅度。SG、RG的产生过程与时钟C的产生过程类似，不同的是其幅值要求为10V。
各种驱动脉冲信号的幅度调整电路如图9所示。

5 CCD输出保护电路
CCD传感器是一种MOS器件，操作不当就很容易受到静电损坏，在电路设计时应在其外围电路加上箝位、限流电路以确保加在CCD上的每一个偏置电压和驱动脉冲受到电流保护，在输入到FTT1010M之前应该通过一个电容来解耦，并且这些解耦电容应该与图像传感器引脚越近越好。FT T1010M的输出端为开源输出，应该在其输出端上接一个电流源做负载，或接一个电阻到地上。在输出上加一个射极跟随的高频三极管，以阻止输出因容性负载而引起的带宽限制。除此以外，射极跟随器加在输出端还可以防止示波器的探头对FTT1010M造成的静电损坏。CCD输出保护电路如图10所示。

6 CCD输出预处理电路
在CCD成像系统中，噪声是限制有效分辨率的最主要因素。CCD输出的信号是具有各种噪声的模拟信号，必须经过预处理，尽可能地消除噪声和各种干扰才能给后续电路使用。为了便于计算机处理，还需要对CCD输出的信号进行A／D转换。预处理过程大体如图11所示。

根据预处理的要求，我们选用了一个高集成度的CCD信号处理专用芯片AD9978，它具有双通道输出能力，且具有14位的A／D转换精度，转换频率可达65MHz，其内部集成了相关双采样、可变增益控制、黑电平箝位电路以及高精度时序产生系统。我们使用相关双采样处理单元，通过两次采样消除不希望的噪声分量，第一次采样位于复位周期结束后，第二次采样位于信号的信息段，两次采样的差就是不含噪声的信号。随后，为了适应不同亮度的目标，防止CCD信号过弱或饱和，我们使用其内的增益控制处理单元来控制信号的增益，最后再通过A／D转换送给后面的可编程逻辑单元进行处理。设计时还要注意使其转换速率与CCD输出像素时钟保持一致。

7 结束语
本文阐述了星载CCD相机图像采集电路的设计与实现，经项目验证表明这些设计能很好地为CCD提供各类偏置电压、驱动脉冲以及电路保护等，它们确保了CCD图像传感器的图像质量，使得CCD相机成像系统具有高性能和高可靠性，具有极高的应用价值。