朱 正, 張 楊, 孫晶華, 劉 祿, 王德興

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

CCD(charge coupled devices,電荷耦合器件)具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)等功能,而且分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比高,在圖像傳感、光譜分析、產(chǎn)品分選和非接觸測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。CCD作為典型的光電器件在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)課中從原理、驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序到應(yīng)用都得到的詳細(xì)的介紹,但是缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支撐,學(xué)生對(duì)CCD理解得并不深刻,因此在后續(xù)的光電綜合實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)了關(guān)于線陣CCD的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,研制了彩色線陣CCD實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

CCD光電器件只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能輸出穩(wěn)定可靠的信號(hào),因此驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也就成為其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。由于不同廠家生產(chǎn)的 CCD其驅(qū)動(dòng)時(shí)序不盡相同,而且同一廠家的不同型號(hào)的 CCD 其驅(qū)動(dòng)時(shí)序也不完全一樣,因此CCD的驅(qū)動(dòng)電路很難規(guī)范化、產(chǎn)品化,許多 CCD 用戶必須面對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)問題。CCD時(shí)序脈沖信號(hào)是一組周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào),它是影響CCD器件的信號(hào)處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個(gè)重要因素。線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路通常有4 種方式實(shí)現(xiàn)[5-8]，即IC 驅(qū)動(dòng)法、E2PROM 驅(qū)動(dòng)法、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法以及可編程邏輯器件(CPLD或FPGA)驅(qū)動(dòng)法。其中基于可編程邏輯器件設(shè)計(jì)的CCD驅(qū)動(dòng)電路具有體積小、功耗低、速度快、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn),可減小電路的體積,工作頻頻高等優(yōu)點(diǎn),而且在設(shè)計(jì)完成后,如果想更改邏輯設(shè)計(jì),不必再更改任何硬件電路,只須將可編程邏輯器件內(nèi)部邏輯重新編程即可?；诳删幊踢壿嬈骷夹g(shù)的CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)具有普遍性[9-10]，本文研制的彩色線陣CCD實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)就是基于CPLD芯片來實(shí)現(xiàn)CCD的驅(qū)動(dòng)的。

1 彩色線陣CCD——TCD2564DG

TCD2564DG是一種高靈敏度、低暗電流,三行各為5 400像元的彩色線陣CCD,主要用于彩色圖像掃描。像元為光電二極管，單像敏元尺寸為7 μm×7 μm，像元間距為7 μm，像元行間距28 μm，有效長(zhǎng)度為37.8 mm，內(nèi)置嵌位電路，封裝類型為22-pin CERDIP，色彩濾光片為紅、綠、藍(lán)；兩相5 V脈沖驅(qū)動(dòng),10路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最高頻率為30 MHz，理論上最高行頻約為11 000；紅綠藍(lán)三色信號(hào)分奇偶并行輸出,共6路輸出信號(hào)；供電電源為10 V。掃描A4頁(yè)面可以有24線/mm的分辨率。

TCD2564DG正常工作時(shí)一共需要10路驅(qū)動(dòng)信號(hào),即兩相各4路時(shí)鐘信號(hào) φ1A1、φ1A2、φ2A1、φ2A2以及一路φ2B、像元復(fù)位信號(hào)RS、嵌位脈沖CP、三路行同步信號(hào)SH。整個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作過程如下：當(dāng) SH 的高電平到來時(shí),CCD傳感器曝光的光敏單元會(huì)將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的移位單元中。SH 為低電平時(shí)上述轉(zhuǎn)移過程完成,光敏單元進(jìn)入下一行周期感光積分,而進(jìn)入移位單元中的信號(hào)將在兩相操作時(shí)鐘的作用下移出。RS信號(hào)的作用是減小兩像元之間的相關(guān)信號(hào),可在當(dāng)前像元信號(hào)輸出后至下一個(gè)像元信號(hào)到來前,對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行清除[11]。各驅(qū)動(dòng)脈沖必須嚴(yán)格滿足相位時(shí)序要求,才能保證高速CCD 器件TCD2564DG的正常工作,其依據(jù)除了其時(shí)序關(guān)系圖之外,更主要的是各時(shí)序信號(hào)的時(shí)間關(guān)系要求。圖1和圖2給出了主要的時(shí)序關(guān)系圖,表1給出了圖1和圖2各個(gè)時(shí)間量的典型值。其中所有的典型值都是在工作頻率為1 MHz的時(shí)候的數(shù)值。視頻數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間是在負(fù)載電阻為100 kΩ時(shí)的數(shù)值。

圖1 SH、φ1A與RS的時(shí)序響應(yīng)圖

圖2 φ2B、RS、CP與OS的響應(yīng)圖

特性量符號(hào)最小值/ns典型值/ns最大值SH和φ1A的脈沖時(shí)間t11201 000—t51 0001 200—SH脈沖上升時(shí)間,下降時(shí)間t2,t4050—SH脈沖寬度t31 0005 000—φ1A,φ2B脈沖上升時(shí)間,下降時(shí)間t6,t7050—RS脈沖上升時(shí)間,下降時(shí)間t8,t10020—RS脈沖寬度t98100—CP脈沖上升時(shí)間,下降時(shí)間t11,t13020—CP脈沖寬度t128200—φ2B和CP的脈沖時(shí)間t14040—RS和CP的脈沖時(shí)間t1500—t168100—視頻數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間t17—6.7—SH和RS的脈沖時(shí)間t181 000——

注：—表示無上限。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

彩色線陣CCD實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使用CPLD芯片EPM240T100I5N來產(chǎn)生TCD2564DG正常工作所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào),而EPM240T100I5N工作電壓標(biāo)準(zhǔn)為3.3 V,其輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)也為3.3 V,不滿足TCD2564DG的5 V脈沖驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),因此使用了緩沖器74ACT11244將驅(qū)動(dòng)脈沖提升到5 V的電平標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)增強(qiáng)對(duì)CCD信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。TCD2564DG供電電源要求為10 V,因此該系統(tǒng)至少需要3.3 V、5 V和10 V 3種電源。電源電路部分采用12 V直流電源供電,由于緩沖器74ACT11244的工作電壓為5 V,所以通過芯片TPS54331將12 V的電源電壓降至5 V。由于TCD2564的工作電壓為10 V,所以通過芯片LM1117MPX-ADJ將12 V的電源電壓降至10 V。用同樣的芯片只需改變電阻便能將5 V電壓降至3.3 V,用來給CPLD的提供3.3 V的工作電壓。整體設(shè)計(jì)為晶振提供時(shí)鐘信號(hào)CPLD,CPLD通過緩沖器74ACT11244將3.3 V電平提升到TCD2564的兩相時(shí)鐘電平5 V,然后連接信號(hào)調(diào)理電路，使TCD2564DG通過輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出正確的波形。系統(tǒng)的總體框圖見圖3。

TCD2564DG紅、綠和藍(lán)3分量信號(hào)分奇偶并行輸出,其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

圖4 TCD2564輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

圖4中OS1—OS6分量為TCD2564DG管腳的輸出信號(hào),每個(gè)輸出信號(hào)都包含了一個(gè)比較高的直流電平,因此這些分量信號(hào)經(jīng)過三極管放大電路、再經(jīng)過一個(gè)電容就輸出了包含信息的交流信號(hào)。圖4中R、G和B分別代表紅、綠和藍(lán)3分量,O代表偶數(shù)像元的輸出,E代表奇數(shù)像元的輸出。

3 CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

TCD2564DG工作所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由CPLD芯片EPM240T100I5N產(chǎn)生,EPM240T100I5N屬于Altera公司目前市場(chǎng)上性價(jià)比較高的MAXII系列的CPLD,該芯片的封裝為TQFP100,有100管腳,應(yīng)用級(jí)別為工業(yè)級(jí),速度等級(jí)為5,符合無鉛標(biāo)準(zhǔn),編程方式為ISP,存儲(chǔ)器類型為Flash,工作核心電壓和IO電壓都為3.3 V,工作溫度為-40～100 ℃,該CPLD的引腳到引腳的邏輯延時(shí)為4.7 ns,工作頻率最高可達(dá) 300 MHz。

Altera公司的CPLD開發(fā)環(huán)境為QuartusⅡ軟件,QuartusⅡ下有原理圖輸入方式、狀態(tài)圖輸入方式、硬件描述語言輸入方式等多種輸入方式[12-13]。為了直觀體檢出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的各個(gè)模塊,采用了原理圖輸入和硬件描述語言輸入相結(jié)合的方式,總體框圖由以原理圖的方式提供,而原理圖中的各個(gè)模塊由Verilog語言編寫。CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)工程的原理圖見圖5。

圖5 CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)工程原理圖

為CPLD提供時(shí)鐘信號(hào)的有源晶振為48 MHz,從圖5中名為CLK_IN的端口輸入,模塊div_dip的作用是根據(jù)外部2位撥碼開關(guān)的撥碼狀態(tài)來對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻,可以進(jìn)行1分頻、2分頻、4分頻和8分頻,分頻后的時(shí)鐘被輸給div_sim模塊和TCD2564_DRIVER模塊。其中div_sim模塊將輸入的時(shí)鐘再進(jìn)行分頻,在輸入1分頻的情況下生成2 Hz的信號(hào),通過輸出端口輸出給外部的LED,使LED閃爍,標(biāo)志著系統(tǒng)的正常工作。TCD2564_DRIVER模塊用于生成嚴(yán)格滿足TCD2564相位時(shí)序要求的10個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。TCD2564_DRIVER模塊的輸入時(shí)鐘為48 MHz的情況,4路兩相時(shí)鐘信號(hào) φ1A1、φ1A2、φ2A1、φ2A2以及一路φ2B為頻率6 MHz,占空比1∶2的方波信號(hào),而像元復(fù)位信號(hào)RS、嵌位脈沖CP由于需要滿足與SH的時(shí)序關(guān)系,故生成的RS和CP信號(hào)為頻率略小于6 MHz,占空比1∶8的脈沖信號(hào),3路行同步信號(hào)SH均為頻率2 kHz的脈沖信號(hào)。TCD2564_DRIVER模塊中各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系是按照系統(tǒng)的最高時(shí)鐘頻率,即輸入時(shí)鐘為48 MHz的情況設(shè)計(jì)的,當(dāng)外部撥碼開關(guān)的值使輸入時(shí)鐘被分頻的情況下,時(shí)鐘變慢,因而各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系依然會(huì)滿足表1中各時(shí)序信號(hào)的時(shí)間關(guān)系要求。光積分時(shí)間為SH下降沿與SH上升沿之間的時(shí)間,因而時(shí)鐘頻率不同,則積分時(shí)間不同,可以研究積分時(shí)間對(duì)CCD輸出信號(hào)的影響。當(dāng)外部撥碼開關(guān)的值使輸入時(shí)鐘4分頻的情況下,4路兩相時(shí)鐘信號(hào)及φ2B頻率應(yīng)為1.5 MHz,RS和CP信號(hào)頻率應(yīng)略小于1.5 MHz,行同步信號(hào)SH頻率應(yīng)為500 Hz。時(shí)鐘4分頻的情況下由示波器測(cè)得的典型信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖6—圖9所示。

圖6 SH和φ1A的波形圖

圖7 φ2B和RS的波形圖

圖8 φ2B和CP的波形圖

圖9 RS和CP的波形圖

在此頻率下的無光照時(shí)TCD2564DG輸出信號(hào)和白光強(qiáng)光照射的飽和輸入信號(hào)分別如圖10和圖11所示。

圖10 無光照時(shí)的CCD輸出信號(hào)

圖11 白光強(qiáng)光時(shí)的CCD輸出信號(hào)

4 基于彩色線陣CCD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

基于彩色線陣CCD的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以滿足光電信息科學(xué)與工程專業(yè)光電綜合實(shí)驗(yàn)課程的需要,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以開設(shè)以下內(nèi)容：

(1) 利用示波器觀測(cè)TCD2564DG驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序和相位關(guān)系觀測(cè),并測(cè)量其驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率、幅度、周期和各路驅(qū)動(dòng)脈沖之間的相位關(guān)系,理解線陣 CCD的基本工作原理,尤其是復(fù)位脈沖在CCD輸出電路中的作用，轉(zhuǎn)移脈沖與驅(qū)動(dòng)脈沖間的相位關(guān)系,掌握電荷轉(zhuǎn)移過程。

(2) TCD2564DG輸出信號(hào)的觀察。可以觀察TCD2564DG在白光光源照射下紅、綠、藍(lán)3分量各自的輸出,在利用光譜儀測(cè)量出光源的光譜的情況下,得到TCD2564DG的響應(yīng)度曲線,利用光源光譜與響應(yīng)度曲線的乘積,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際輸出做對(duì)比?？梢赃B續(xù)調(diào)整光源強(qiáng)度觀察TCD2564DG各個(gè)分量輸出信號(hào)隨光強(qiáng)變化關(guān)系;還可以在使用紅、綠、藍(lán)單色濾光片遮蓋于TCD2564DG上,觀察在單色光照下紅、綠、藍(lán)3個(gè)分量各自的輸出信號(hào)。

(3) 通過TCD2564DG在不同驅(qū)動(dòng)頻率和不同積分時(shí)間下的輸出信號(hào)測(cè)量,進(jìn)一步掌握線陣CCD的有關(guān)特性,加深對(duì)積分時(shí)間的理解,以及驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間對(duì)CCD輸出信號(hào)的影響,找出積分時(shí)間、驅(qū)動(dòng)頻率、輸出信號(hào)幅度間的關(guān)系。

(4) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)提供了程序下載接口,學(xué)生可以自己編寫TCD2564DG的驅(qū)動(dòng)程序,通過QuartusⅡ軟件下載到實(shí)驗(yàn)儀的CPLD芯片中,硬件實(shí)測(cè)線陣CCD的驅(qū)動(dòng)情況,可以很好鍛煉學(xué)生的編程能力。

5 結(jié)論

本文研制的基于彩色線陣CCD的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),主要用于光電信息科學(xué)與工程專業(yè)光電綜合實(shí)驗(yàn)課程,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。利用該系統(tǒng)可以針對(duì)彩色線陣CCD進(jìn)行豐富的實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生加深對(duì)CCD原理及驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序等理解,并可自己編寫TCD2564DG的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,培養(yǎng)學(xué)生的編程能力和動(dòng)手能力,為將來線陣CCD在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。