KAI-02150的CCD模拟前端采集电路设计

摘要 针对Kodak公司生产的CCD图像传感器KAI-02150，设计了双通道模拟前端采集电路。给出了电路的结构组成，根据KAI-02150的驱动和输出参数要求设计了各个模块的具体电路。通过SPI接口对AD9920A的寄存器进行配置，可以满足多种工作模式切换的需要。与传统的CCD模拟前端采集方案相比，文中的设计更加灵活简单、稳定可靠。测试表明，设计的输出驱动时钟满足KAI-02150的输入要求，可以驱动CCD输出模拟信号，并完成相关双采样和A／D转换得到数字视频信号。
关键词 KAI-02150；CCD；模拟前端采集；AD9920A

KAI-02150图像传感器是Kodak公司设计生产的全高清行间转移CCD(Charge-coupled Device)，有效图像分辨率为1 920×1 080，支持四通道输出，图像最高输出帧率可达64fip·s-1，主要用于工业图像、医疗图像、安防监控等领域。
CCD的模拟前端采集电路设计主要用于对CCD提供水平和垂直驱动时钟信号，放大调理CCD输出的模拟信号，对CCD输出模拟信号进行模数转换，提供必要的帧和行的同步信号来进行数字视频信号的输出。所以CCD模拟前端采集电路的设计对于整个数字摄像机的最后成像质量起着重要的作用。一般如SONY公司针对所生产的CCD都提供了相应的前端采集电路的参考设计方案，但Kodak公司没有在技术文档中提供相关信息。文中针对KAI-02150的参数特点设计了双通道模拟前端采集电路，性能稳定可靠，模式设置方便灵活，减轻了软件设计的负担。

1 KAI-02150图像传感器芯片简介
Kodak公司生产的KAI-02150是一款1080p的2／3”大小的逐行扫描行间转移CCD传感器，其主要特征有：噪声低、动态范围宽、成像性能出色、信号读出结构灵活，支持1、2或者4通道信号同时采集，全分辨率图像最高采集速度可达64 fip·s-1。KAI-02150在水平时钟频率达到40 MHz时，其双通道输出帧率可以达到33 fip·s-1，完全满足普通安防监控的需要。

2 双通道模拟前端采集电路的设计
2．1 模拟前端采集电路总体设计思路
KAI-02150在进行光电转换的同时需要外部对其提供水平和垂直时钟等驱动信号，使得每个像素的模拟电压值进行串行输出。CCD信号采集处理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直时钟时序信号的同时对CCD模拟输出信号进行模数转换，并输出相应的视频同步信号。由于KAI-02150的驱动信号电平要求与AD9920A时序信号输出电平不相符，需设计时钟驱动电路对水平、垂直驱动与电子快门等信号进行电平的转换，同时起到隔离、缓冲、提高带负载能力等功能。在整个采集过程中，需要对AD9920A进行初始化和对采集到的双通道视频信号进行帧图像的合成和预处理，文中使用FPGA精确控制AD9920A的初始化和视频采集传输过程。

文中采用的模拟前端采集电路主要由CCD传感器、时序控制采集电路、时钟驱动电路组成，组成结构如图1所示。FPGA对模拟前端采集电路进行初始化并对采集到的视频进行预处理。
2．2 时序控制采集电路的设计
传统CCD时序控制采集电路主要由CPLD和相关双采样A／D芯片组成，垂直时钟由CPLD提供，而水平时钟和电荷复位时钟则由A／D芯片提供。为满足多种工作模式的切换，必须预存多种驱动时钟的输出样式，这样需要在CPLD中编写多种垂直时钟时序样式，大大增加了代码开发的工作量。此外传统方案外围电路复杂，驱动时钟信号源需要CPLD和A／D同时提供，在集成度、灵活性和稳定性上都有所欠缺。
文中采用两片Analog Device公司生产的AD9920A来进行精确的CCD时钟信号时序的输出和对CCD信号的进行A／D转换。AD9920A主要特点如下：12位40．5 MHz模数转换器；内置相关双采样控制电路；集成精确时序控制器；支持24路可编程垂直时钟信号输出。由于所有驱动时钟和复位信号均由AD9920A提供，与传统方案相比，文中采用的方案可以通过SPI接口配置AD9920A自身寄存器，预存多种时钟驱动样式，更加灵活方便地进行配置出多种摄像机工作模式，并且具有更高的稳定可靠性。
方案中所采用的两片AD9920A中一片工作在Master模式，用来提供CCD所需的水平垂直时钟、电荷复位信号和电子快门信号，并对通道A的CCD信号进行采集。另外一片工作在Slave模式，对通道B进行信号采集。工作在Master模式的AD9920A产生的HD和VD同步信号输入到Slave模式的AD9920A，以便同步CCD数字信号输出，在FPGA中双通道采集的图像可以得到还原。
2．3 时钟驱动电路的设计
KAI-02150的时钟驱动信号高低电平要求各不相同，前级AD9920A所提供的TTL时钟信号必须通过时钟驱动电路来进行电压转换，以符合CCD驱动电平的要求。
时钟驱动电路主要作用是为时钟信号提供直流偏置与增大时钟驱动能力。文中采用DC12V电压供电，由双通道DC／DC转换器LT3471得到16 V和-10 V电压，后经LDO稳压芯片LT1964和LT1761得到CCD垂直时钟所需的-9 V和12 V直流偏置电压。而水平时钟信号、复位信号和电子快门的直流偏置电压则主要由两片双极性D／A转换器AD5734R产生，后经LT1010电源缓冲器来提高电流输出能力。
前级Master模式的AD9920A输出的水平时钟信号与复位信号经74LCX541 8路三态CMOS缓冲器输入。为避免信号产生过多失真，在PCB布线时HL、H1、H2和RG走线的电感应非常低。为使互感最小，互补信号H1和H2的布线应尽可能对称并靠近。H5和H6信号也应如此。CCD对HL和H1至H6有很大的瞬变电流要求，因此使用较宽的PCB走线。
垂直时钟信号经IXDD604高速MOSFET驱动器输入到CCD，垂直时钟信号VIB有高中低3个电平状态。文中使用AD9920A输出的两个垂直时钟信号经过两片IXDD604来产生所需要的V1B时钟。如图2所示，当V1B_H为低时，U22的VCC为0 V，V1B可以根据V1B_ML输出中低电平。当V1B_H为高时，U22的VCC为12 V，保持V1B_ML为高使得V1B输出12V。