1引言

    電荷耦合器件(ccd．charge(couple device)是20世紀60年代末期出現(xiàn)的新型半導體器件。目前隨著ccd器件性能不斷提高．在圖像傳感、尺寸測量及定位測控等領域的應用日益廣泛．ccd應用的前端驅(qū)動電路成本價格昂貴，而且性能指標受到生產(chǎn)廠家技術和工藝水平的制約．給用戶帶來很大的不便。ccd驅(qū)動器有兩種：一種是在脈沖作用下ccd器件輸出模擬信號，經(jīng)后端增益調(diào)整電路進行電壓或功率放大再送給用戶：另一種是在此基礎上還包含將其模擬量按一定的輸出格式進行數(shù)字化的部分，然后將數(shù)字信息傳輸給用戶，通常的線陣ccd攝像機就指后者，外加機械掃描裝置即可成像。所以根據(jù)不同應用領域和技術指標要求．選擇不同型號的線陣ccd器件，設計方便靈活的驅(qū)動電路與之匹配是ccd應用中的關鍵技術之一。

    本文以tcd1501c型ccd圖像傳感器為例．介紹了其性能參數(shù)及外圍驅(qū)動電路的設計．驅(qū)動時序參數(shù)可以通過vhdl程序靈活設置．該電路已成功開發(fā)并應用于某型非接觸式位置測量產(chǎn)品中。

    2 ccd工作原理

    ccd是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。當光入射到ccd的光敏面時．ccd首先完成光電轉換．即產(chǎn)生與入射光輻射量成線性關系的光電荷。ccd的工作原理是被攝物體反射光線到ccd器件上．ccd根據(jù)光的強弱積聚相應的電荷．產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號�；谏鲜鰧⒁痪S光學信息轉變?yōu)殡娦畔⑤敵龅脑恚�陣ccd可以實現(xiàn)圖像傳感和尺寸測量的功能。圖1為ccd光譜響應曲線。

    3 驅(qū)動電路的實現(xiàn)

    線陣ccd tcd1501c的主要技術指標如下：像敏單元數(shù)為5 000；像元尺寸為7μm×7μm；像元中心距為7μm；像元總長為35 mm；光譜響應范圍為400 nm-1000 nm．光譜響應峰值波長為550 nm，靈敏度為10．4 v／lx．s～15．6 v／lx．s。使ccd芯片正常工作的驅(qū)動電路主要有兩大功能。一是產(chǎn)生ccd工作所需的多路時序脈沖．二是對ccd輸出的原始模擬信號進行處理，包括增益放大、差分信號到單端信號的轉換．最后驅(qū)動器輸出用戶所需的模擬或視頻信息。

    3．1 基于vhdl的驅(qū)動時序設計

    本部分設計是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6．1環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)的。ccd器件需要復雜的三相或四相交疊驅(qū)動脈沖，多數(shù)面陣ccd都是三相或四相驅(qū)動，多數(shù)線陣ccd都是二相驅(qū)動。本文以二相線陣ccd圖像傳感器tcd1501c為例，實現(xiàn)了用cpld完成的驅(qū)動電路設計。ccd為容性負載，工作頻率高時有一定的功耗，因此需要對cpld輸出的復位脈沖rs、移位脈沖(又稱光積分脈沖)sh、箝位脈沖cp、采保脈沖sp，以及二相時鐘脈沖中φ1e、φ2e等各路驅(qū)動脈沖采用74hc14進行整形和驅(qū)動能力的放大．然后再送至tcd1501c器件的相應輸入端，在ccd的模擬信號輸出端將得到信號0s和補償信號dos。tcd1501c典型的最佳工作頻率是1mhz，該器件具有5 000個有效像元輸出。tcdl501c正常工作時要有76個啞像元輸出．一個掃描行周期內(nèi)至少應包含有5 076個時鐘脈沖，即tsh>5076×φ1e 0．1μs，在本設計中tsh=5200×φ1e。由此可見，改變時鐘脈沖頻率或增加光積分脈沖周期內(nèi)的時鐘脈沖數(shù)，可以改變光積分周期，通常φ1e的頻率設置為可調(diào)節(jié)的，這樣可以根據(jù)ccd器件的實際應用環(huán)境靈活運用ccd器件的優(yōu)點以改變光積分時間。只要條件允許，為降低ccd的電荷轉移損失率。ccd驅(qū)動脈沖的頻率應盡可能小。驅(qū)動脈沖的頻率降低時，可以在示波器上觀察到ccd輸出信號幅值明顯增強。圖2所示為ccd工作波形。

    下面是產(chǎn)生時序脈沖的vhdl程序：

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