摘 要:介紹TDI-CCD的特點(diǎn)、工作原理，根據(jù)項(xiàng)目所使用的TDI-CCD的使用要求，設(shè)計(jì)一種基于Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) EP3C25Q240的TDI-CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路，驅(qū)動(dòng)時(shí)序使用VHDL語言編寫，在Quartus Ⅱ平臺(tái)上進(jìn)行時(shí)序仿真，通過在硬件電路中的測試結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)時(shí)序滿足該款產(chǎn)品的要求。該實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證這款TDI-CCD的性能，為其應(yīng)用和進(jìn)一步的性能改善獲得必要的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)國產(chǎn)CCD的發(fā)展及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:TDI-CCD;驅(qū)動(dòng)時(shí)序;現(xiàn)場可編程門陣列

中圖分類號(hào):TN29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)04-180-03

Design of TDI-CCD Driving Circuit Based on FPGA

LIU Yan，GAO Wei，CHEN Chujun，CHEN Chuan

(Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Scienes，Xi′an，710119，China)

Abstract:The TDI-CCD product′s characteristics and its working principle，on the basis of TDI-CCD product′s characteristics and the using demand are introduced，the driving schedule is realized on Altera Company′s Field Programmable Gate Array (FPGA) EP3C25Q240，the driving schedule is written by VHDL language and it has been successfully carried through the timing simulation with Quartus Ⅱ software，results of the hardware electrocircuit test prove that the timing simulation meets the product′s demand.The main purpose of this experiment is to validate this product′s performance.It is used to obtain the necessary data to promote development and application of the domestic CCD.

Keywords:TDI-CCD;driving schedule;field programmable gate array

TDI-CCD(Time Delay and Integration)在最近幾年已經(jīng)發(fā)展成為航天、航空相機(jī)的理想圖像傳感器。主要應(yīng)用在低照度條件下，對(duì)低照度目標(biāo)有很高的靈敏度。它主要有以下特點(diǎn):首先它采用了TDI工作模式，隨著TDI積分級(jí)數(shù)M的增加有用信號(hào)線性相加，而噪聲信號(hào)是非相干平方根增加，這樣TDI-CCD 的信噪比(SNR)可以提高倍;其次，由于它的積分級(jí)數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，通過改變積分級(jí)數(shù)，就可以改變可見光CCD的曝光時(shí)間，因此，TDI-CCD可以在不同的照度下在不改變幀頻的情況下正常工作，例如，在黎明、黃昏或夜間成像，要求曝光時(shí)間長，對(duì)應(yīng)的增加TDI級(jí)數(shù)，在白天或者能見度較好的場合，對(duì)應(yīng)的減少TDI的級(jí)數(shù)，能在分辨率不變的情況下提高可見光CCD的靈敏度和均勻性;再次是采用TDI-CCD作為焦平面探測器可以減少相機(jī)相對(duì)孔徑，從而減少系統(tǒng)重量和體積。

1 TDI-CCD工作原理

在第一次曝光時(shí)間t1時(shí)，物體的第一行處在TDI的第五級(jí)，曝光電荷為Q1;在第二次曝光時(shí)間t2時(shí)，物體向前運(yùn)動(dòng)一行，這時(shí)物體的第二行處在TDI的第五級(jí)，曝光電荷為Q2，與此同時(shí)上次累積的電荷Q1轉(zhuǎn)移到第四級(jí)，再加上第四級(jí)曝光物體的第一行產(chǎn)生的曝光電荷Q1總共累積電荷2Q1;在第三次曝光時(shí)間t3時(shí)，物體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一行，這時(shí)物體的第三行處在TDI的第五級(jí)，曝光電荷為Q3與此同時(shí)上次累積的電荷Q2轉(zhuǎn)移到第四級(jí)，再加上第四級(jí)曝光物體的第二行產(chǎn)生的曝光電荷Q2總共累積電荷2Q2，TDI的第三級(jí)曝光物體的第一行再加上從第四級(jí)轉(zhuǎn)移過來的2Q1，第三級(jí)總共累積電荷3Q1;在第四次曝光時(shí)間t4時(shí)，物體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一行，這時(shí)物體的第四行處在TDI的第五級(jí)，產(chǎn)生曝光電荷Q4并且轉(zhuǎn)移上次的累積電荷Q3到TDI的第四級(jí)，第四級(jí)曝光物體第三行產(chǎn)生曝光電荷Q3，再加上從第五級(jí)轉(zhuǎn)移來的Q3，第四級(jí)累積電荷2Q3，第三級(jí)曝光物體第二行加上從第四級(jí)轉(zhuǎn)移來的電荷總共產(chǎn)生累積電荷3Q2，第二級(jí)曝光物體第一行再加上從第三級(jí)轉(zhuǎn)移來的電荷總共產(chǎn)生累積電荷為4Q1;在第五次曝光時(shí)間t5時(shí)，物體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一行，這時(shí)物體的第五行處在TDI的第五級(jí)，產(chǎn)生曝光電荷Q5并且轉(zhuǎn)移上次的累積電荷Q4到TDI的第四級(jí)，第四級(jí)曝光物體第四行產(chǎn)生曝光電荷Q4，再加上從第五級(jí)轉(zhuǎn)移來的Q4，第四級(jí)累積電荷2Q4，第三級(jí)曝光物體第三行加上從第四級(jí)轉(zhuǎn)移來的電荷2Q3總共產(chǎn)生累積電荷3Q3，第二級(jí)曝光物體第二行再加上從第三級(jí)轉(zhuǎn)移來的電荷為3Q2總共產(chǎn)生累積電荷為4Q2;第一級(jí)曝光物體第一行再加上從第二級(jí)轉(zhuǎn)移來的電荷4Q1總共產(chǎn)生累積電荷為5Q1。這是一款最大積分級(jí)數(shù)為五級(jí)的TDI，以此類推更多級(jí)數(shù)TDI的工作原理[1-3](見圖1)。

圖1 TDI-CCD工作原理圖

2 TDI-CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序

試驗(yàn)采用的是4 096×96 TDI可見光CCD。它的結(jié)構(gòu)像一個(gè)長方形的面陣CCD，而實(shí)際上是線陣結(jié)構(gòu)，其行數(shù)由4 096個(gè)像數(shù)(探測器)組成，列數(shù)由96個(gè)像素組成。積分級(jí)數(shù)為16，32，48，64，96可調(diào)，96級(jí)積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64和PTDI1;

64級(jí)積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48和PTDI1，PTDI64接-12 V電壓;第48級(jí)積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32同PTDI1，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓;第32級(jí)積分工作狀態(tài)為PTDI16和PTDI1，PTDI32，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓;第16級(jí)積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓。

試驗(yàn)通過在硬件電路中使用八位開關(guān)加偏置電壓實(shí)現(xiàn)積分級(jí)數(shù)的可調(diào)。這款CCD為八路輸出結(jié)構(gòu)，總頻率為100 MHz，每組分別為12.5 MHz。其中第一路至第七路的有用信號(hào)為514個(gè)，其中有兩個(gè)用于采集暗電平，第八路為518個(gè)其中有兩個(gè)用于采集暗電平，時(shí)序設(shè)計(jì)中采用每路輸出525個(gè)電平，多余的都為空信號(hào)用于采集噪聲信號(hào)。

試驗(yàn)使用的這款TDI-CCD總共需要15路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，積分級(jí)數(shù)控制信號(hào)PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64在硬件電路中通過撥碼開關(guān)加偏置電壓實(shí)現(xiàn)，其他的11路行轉(zhuǎn)移信號(hào)和水平移位讀出信號(hào)在軟件中實(shí)現(xiàn)(圖2所示)。其中，PIG在級(jí)數(shù)選通時(shí)起撇出多余級(jí)數(shù)信號(hào)的作用;時(shí)鐘PTDI1，PTDI2，PTDI3通過電平變換來控制信號(hào)電荷的行轉(zhuǎn)移，頻率為20 kHz;積分區(qū)信號(hào)經(jīng)PTDI3轉(zhuǎn)到PSG，再由PSG轉(zhuǎn)到PTG，PTG轉(zhuǎn)到水平移位寄存器控制信號(hào)PM1，PM2，PM3，PM4，最后由多路傳輸器輸出。TDI-CCD電極邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 TDI-CCD電極邏輯關(guān)系圖

3 驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)采用Altera公司的EP3C25Q240，使用這款FPGA中的PLL電路對(duì)20 MHz時(shí)鐘倍頻產(chǎn)生50 MHz時(shí)鐘作為系統(tǒng)的主總時(shí)鐘CLK。采用Altera公司開發(fā)的Quartus Ⅱ作為開發(fā)平臺(tái)，采用VHDL語言進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)[4，5]。系統(tǒng)有兩路輸入信號(hào)分別為總時(shí)鐘CLK，復(fù)位信號(hào)Reset。15路輸出信號(hào)作為TDI-CCD的輸入時(shí)序信號(hào)(PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64和PTDI1)，但是該時(shí)序不能直接驅(qū)動(dòng)TDI-CCD，因?yàn)樗碾妷杭肮β手禑o法滿足TDI-CCD的需要，所以在FPGA與CCD之間增加脈沖驅(qū)動(dòng)電路，試驗(yàn)采用CCD驅(qū)動(dòng)器EL7155。

在Quartus Ⅱ中的仿真結(jié)果如圖3~圖5所示。由圖3可看出TDI-CCD的工作過程可以分為兩個(gè)階段:行轉(zhuǎn)移階段和光積分階段。在行轉(zhuǎn)移階段(如圖4所示)通過時(shí)鐘PTDI1~PTDI3的三相交疊脈沖的作用實(shí)現(xiàn)將積分電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，PTDI1~PTDI3在每個(gè)時(shí)刻必須保證至少有一個(gè)高電平和一個(gè)低電平，而此時(shí)PM1~PM4保持不變，水平移位寄存器停止工作。

圖3 時(shí)序仿真波形

在光積分階段(如圖5所示)，四相時(shí)鐘PM1~PM4共同作用將水平移位寄存器中的電荷讀出，每個(gè)階段分別循環(huán)525次，此時(shí)三相時(shí)鐘保持不變，同樣的PM1~PM4在每個(gè)時(shí)刻也必須保證至少有一個(gè)高電平和一個(gè)低電平。四相時(shí)鐘與三相時(shí)鐘相比，比較適合較高的工作頻率。

圖4 行轉(zhuǎn)移期間時(shí)序仿真波形

圖5 光積分階段時(shí)序仿真波形

4 結(jié) 語

該時(shí)序在硬件電路中成功驅(qū)動(dòng)了這款TDI-CCD，驗(yàn)證了軟硬件的正確性和準(zhǔn)確性以及CCD的性能。同時(shí)該時(shí)序還有一定的靈活性，通過改變輸入時(shí)鐘的頻率，它的輸出頻率是可以調(diào)整的，并且可以滿足很高的頻率要求。時(shí)序的穩(wěn)定性比較好，在硬件電路中可以隨時(shí)按復(fù)位按鈕調(diào)整輸出。在FPGA的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)時(shí)序，使硬件電路設(shè)計(jì)簡單化。

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