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。


　4、驱动器电路

面阵CCDKAI-0340S的驱动时钟分为水平移位时钟、复位时钟、垂直转移时钟、电子快门时钟四种，需要的驱动电压具体要求见表1。

CCD在单端输出模式下，水平移位时钟对应图像传感器的管脚连接如下：H1=H1S（5）+H1BL（4）+H2BR（9）;H2=H2S（7）+H2BL（3）+H1BL（8）。H1，H2，R共用一片74AC04驱动器，每个时钟使用两个门驱动，再配合滤波电容和钳位电路便可以实现对面阵CCD的水平和复位驱动。

垂直转移需要V1、V2两相驱动时钟，其中V2为三电平，因为FPGA产生的信号只有‘0’和‘1’两种状态，所以需要将信号V2分解成V2HM和V2ML两个信号。V1通过一片EL7212进行驱动，配合滤波电容和钳位电路实现。

V2驱动器选用一片MAX4426，通过V2HM控制其电源端（将V2HM反向）。当V2HM为高的时候，MAX4426产生峰峰值9V的输出信号，当V2HM由高变低时，MAX4426的电源端被升到18V，从而产生出满足要求的三电平信号V2。电子快门脉冲电压为VAB~VAB+40V（峰峰值为40V），使用分立元件产生，具体电路的原理图如图2所示。


5、CCD驱动时序设计

KAI-0340S工作需要6路驱动信号：分别是两相水平移位寄存器时钟H1、H2；复位脉冲时钟RL；两相垂直转移时钟V1、V2（分解成V2HM和V2ML）；电子快门时钟SUB。CCD成像的一个工作周期分三个阶段：曝光阶段，行间转移阶段和水平移位阶段。CCD工作时，首先底层出现电子快门脉冲将光敏区的电荷清除，电子快门脉冲之后开始图像信号积分阶段，积分完成后V2上的高电平把光敏区的包含图像信息的电荷包转移到挡光的垂直CCD上，接下来通过V1和V2的互补时钟逐行把垂直CCD中的电荷包转移到水平CCD上，再通过H1和H2的互补时钟逐个把水平CCD上的电荷包转移到浮置扩散输出节点，进行电荷测量供后续电路处理，同时CCD又可进行下一帧图像的曝光。KAI-0340S的详细驱动时序关系