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基于FPGA的转移型面阵CCD驱动电路设计

? 2018年05月22日 10:21 ? 次阅读

0 引言

美高梅官网,金沙网投领导者,金沙网投网站,金沙网投开户 www.tongshi-cn.com CCD(Charge Coupled Device)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件,它可以把通过光学镜头投影到其上的景物可见光信号转换成比例的电荷包,并在适当的时钟脉冲的驱动下进行定向转移,从而输出成为电压视频图像。CCD具有集成度高、功耗小、体积小、工作电压低、灵敏度高等优点,目前已广泛应用与空间遥感、对地观测等领域。

按结构分类,CCD可分为线阵CCD和面阵CCD,而面阵CCD按排列方式又可分为全帧转移(Full Frame)CCD、帧转移(Frame Transfer)CCD以及行间转移(Interline Transfer)CCD。三种类型的CCD各有优缺点,其中行间转移CCD不需要机械快门,速度最快,最适合用于观测快速运动的物体。本文设计了一种行间转移型面阵CCD的高速驱动电路。

1 行间转移型面阵CCD的结构和工作模式

本设计采用的是SONY公司的ICX415AL型号CCD芯片,ICX415AL是行间转移型面阵CCD,对角线为8 mm,尺寸为8.3 μmx8.3 μm,总像元素为823(H)&TImes;592(V),有效像元为782(H)x582(V)。它不仅具有高灵敏度、低暗电流的特性,而且还具有优秀的抗开花技术。ICX415AL还具有连续可变的电子快门功能,可以通过控制曝光时间,获得不用曝光条件下的图像。

ICX415AL的结构如图1所示。其中,感光单元与存储单元相邻排列,相当若干个单边传输的线阵CCD按垂直方向排列,在积分时间结束后,感光单元电荷转移到相邻的存储单元,在垂直转移脉冲V1,V2,V3的共同作用下一行一行的转移至水平移位寄存器,在水平转移脉冲H1,H2和复位脉冲RG的共同作用下经放大器读出。

基于FPGA的转移型面阵CCD驱动电路设计

2 行间转移面阵CCD的驱动电路设计

整个电路设计如图2所示,它主要包括偏置电路、时序驱动电路、视频信号处理单元等。下面分别介绍这几个部分。

ICX415AL偏置电路设计包括电源电压以及各种驱动时序电压。经仔细分析得出,CCD的垂直转移信号电压为-7.5 V,0 V,15 V三个级次,水平移位信号和复位信号电压为5 V,基底信号电压为22.5 V,FPGA供电电压为3.3 V。综合CCD供电系统要求,选用24 V作为外部电压,使用YD12-24S15芯片获得15 V和-12 V电压,利用YDl6-24S05芯片获得5 V电压。分别将-12 V和5 V电压经过芯片LM2991和芯片LT1764EQ转换为-7.5 V和3.3 V电压,这样就获得了整个电路所需要的电压。

时序驱动电路的设计比较复杂,对成像效果至关重要,因此,时序驱动电路的设计是整个系统的关键。ICX415AL芯片有3种驱动模式:逐行扫描模式、场读出模式和中心扫描模式。其中逐行扫描模式具有较高的分辨率,且在29.5 MHz的时钟驱动下可以达到每秒50帧图像,满足设计的需要,因此本设计采用逐行扫描模式。在该模式下,CCD需要7个驱动信号,垂直转移时钟V1,V2,V3,水平转移时钟H1和H2,复位时钟信号RG,以及控制曝光时间的基底时钟SUB。CCD的一个周期包括感光阶段和转移阶段。在感光阶段,给基底提供一个时钟信号,在信号高电平期间,CCD处于偏置阶段,开始收集电荷,储存电荷的多少取决于外界光亮度以及曝光时间。当垂直转移时钟V1,V2,V3出现一个如图3所示的三相电平信号时,感光阶段结束,成像单元电荷以电荷包的形式转移到相邻的存储单元。转移阶段分为垂直转移和水平转移。垂直转移包含625个循环,每循环一次,电荷沿垂直方向移动一行,最后一行移入水平寄存器,然后在水平移位时钟H1,H2和复位时钟RG的作用下完成944个循环,每次循环输出一个像元信息。复位时钟RG用于将浮置扩散节点的电荷清除掉,以便能准确测量下一个点荷包。

基于FPGA的转移型面阵CCD驱动电路设计

视频信号处理单元主要完成预放、滤波、相关双采样(CDS)、后置放大以及A/D转换等功能。本文采用集成图像处理芯片VSP2230。VSP22 30是一款集成图像处理芯片,它可以对CCD输出信号进行相关双采样,具有可编程暗电平校正、可编程增益放大器(放大范围为-6~42 dB)、将模拟信号转换为十位的数字信号等功能。

相关双采样(CDS)单元是对每个像元信号采样两次,分别获得参考电平和信号电平,将两个电平值的差作为CCD的输出信号,通过相关双采样可以滤除复位噪声、输出放大器的白噪声以及1/f噪声等。

具体模式见图4,在嵌位脉冲SHP的上升沿采集参考电平信号,在采用脉冲SHD的上升沿采集信号电平。SHP和SHD的位置很重要,对信号质量影响。很大,需要精细调整。ICX415AL芯片的每一行前端有3个哑像元,后端有38个暗像元,通过测量这些像元的电荷量,可以获得该款CCD的暗电平值,将上文的输出信号再减去暗电平值,就可去除暗电流噪声,输出更准确的信号。VSP2230芯片有两个引脚即用来完成该任务,即CLPDM和CPLOB引脚。

在CCD输出暗像元时,将CPLOB置为低电平,其他时候恒为高电平,在CCD输出哑像元时,将CLPDM置为低电平,其他时候置为高电平。

基于FPGA的转移型面阵CCD驱动电路设计

最后将模拟信号经A/D转换为10位数字信号,输出给FPGA,再经图像采集卡输出至显示设备,即可观看到视频图像。

3 波形仿真结果

本设计采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C12F25617芯片,在QuartusⅡ9.1集成开发环境下,运用VHDL语言进行编程,利用Modelsim SE 6.5仿真工具进行仿真,如图5所示,时序满足芯片手册要求。

4 实验结果

将用VHDL语言编写好的程序下载到FPGA中,用示波器检测波形无误后,接上CCD芯片,将图像信号经LVDS采集卡采集后显示于电脑上,如图6所示,由图可知,该CCD成像系统成像效果良好,符合设计要求。

基于FPGA的转移型面阵CCD驱动电路设计

5 结论

在分析了SONY ICX415AL行间转移型面阵CCD的驱动时序的基础之上,提出了基于FPGA的驱动时序发生器的设计方案,并使用VHDL语言实现了该设计方案。整个设计充分结合了FPGA器件的设计简单、调试灵活、性能优越等优点和VHDL语言的硬件描述能力强、便于学习和理解等优点。该CCD相机具有每秒50帧的帧频,适用于观测高速运动的物体,成像效果良好,目前已运用于实际工程中。

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他励型的压电扩音器和压电振动板,通过在产品的两个端子之间外加交流电压而鸣动。以标准的驱动电路范例来说...

发表于 2016-10-10 10:40 ? 338次阅读
他励型压电扩音器和压电振动板的两种驱动电路

全桥驱动电路工作原理详述

本文为您介绍全桥驱动电路工作原理,全桥驱动电路原理是什么,H桥式驱动电路在逆变器电路和直流电机电路中...

发表于 2016-08-05 18:36 ? 7523次阅读
全桥驱动电路工作原理详述

半桥驱动电路工作原理及作用

本文为您介绍半桥驱动电路工作原理、半桥驱动电路的作用以及半桥驱动电路需要注意问题、特点。

发表于 2016-08-05 18:17 ? 12073次阅读
半桥驱动电路工作原理及作用

数码管驱动电路的作用、分类及驱动电路设计

本文为您介绍数码管驱动电路的作用,数码管驱动电路有什么作用,数码管的分类及驱动电路设计、原理图。

发表于 2016-08-05 17:50 ? 13495次阅读
数码管驱动电路的作用、分类及驱动电路设计

图像传感器在高清质图民营领域发展趋势,CMOS谁...

但是在数据的传输过程中CMOS传感器是每个像素都有放大器,其放大效果保持均衡很困难,因而最后整合会产...

发表于 2016-08-05 17:26 ? 501次阅读
图像传感器在高清质图民营领域发展趋势,CMOS谁...

电机驱动电路的作用与电路原理图

本文为您介绍电机驱动电路的作用,电机驱动电路有什么用以及电机驱动电路原理图及相关内容讲解。

发表于 2016-08-05 16:49 ? 11870次阅读
电机驱动电路的作用与电路原理图

IGBT驱动电路的作用、工作特性与使用要求

IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大,以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证...

发表于 2016-08-05 16:16 ? 5960次阅读
IGBT驱动电路的作用、工作特性与使用要求

led驱动电路的作用与拓扑结构

LED是一种由过剩能量引发的光子发射,当在led两端加上正向电压时,半导体内的少数载流子和多数载流子...

发表于 2016-08-05 15:59 ? 1013次阅读
led驱动电路的作用与拓扑结构

图像传感器的分类及原理

成像物镜将外界照明光照射下的(或自身发光的)景物成像在物镜的像面上,形成二维空间的光强分布(光学图像...

发表于 2016-08-05 11:30 ? 3463次阅读
图像传感器的分类及原理

采用自举升压结构设计双电压mosfet驱动电路

自举升压电路的原理图如图1所示。所谓的自举升压原理就是,在输入端IN输入一个方波信号,利用电容Cbo...

发表于 2016-08-04 18:41 ? 1317次阅读
采用自举升压结构设计双电压mosfet驱动电路

功率mos管工作原理与几种常见驱动电路图

本文介绍功率mosfet工作原理、几种常见的mosfet驱动电路设计,功率mosfet驱动电路原理图...

发表于 2016-08-04 18:15 ? 7977次阅读
功率mos管工作原理与几种常见驱动电路图

几种IGBT驱动电路的?;さ缏吩硗?/a>

本文为您介绍几种常见的IGBT驱动电路原理及其?;さ缏?,EXB841/840、M57959L/M57...

发表于 2016-08-04 17:48 ? 4567次阅读
几种IGBT驱动电路的?;さ缏吩硗? /></a>
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十几种常用led驱动电路图

本文为你提供十多种常用led驱动电路图、led驱动电路原理图。包括并行LED数码管静态显示电路(共阳...

发表于 2016-08-04 17:17 ? 2712次阅读
十几种常用led驱动电路图

IR2104芯片驱动电路实现智能车差速控制方案

常用的电机驱动有两种方式:一、采用集成电机驱动芯片;二、采用MOSFET和专用栅极驱动芯片自己搭。集...

发表于 2016-08-04 16:37 ? 3479次阅读
IR2104芯片驱动电路实现智能车差速控制方案

直流电机几种驱动电路设计思路

以上是直流电机驱动电路图,下面为您详细介绍直流电机驱动设计需要注意的事项,低压驱动电路的简易栅极驱动...

发表于 2016-08-04 16:14 ? 29062次阅读
直流电机几种驱动电路设计思路

变频器逆变??樗鸹倒收洗砑记?/a>

变频器逆变??樗鸹刀喟胧怯捎谇缏匪鸹抵率?个桥臂上的2个开关器件同一时间导通所造成的。

发表于 2016-05-26 11:12 ? 512次阅读
变频器逆变??樗鸹倒收洗砑记? /></a>
                </div><div class=

三分钟教你快速选择机器视觉传感器

  目前,如何选择机器视觉传感器在当代的应用可谓是越来越广泛,如何选择机器视觉传感器是值得我们好好学...

发表于 2016-05-25 14:18 ? 9349次阅读
三分钟教你快速选择机器视觉传感器

三种IGBT驱动电路和?;し椒ㄏ杲?/a>

本文着重介绍三个IGBT驱动电路。驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大,以驱动IGBT,保...

发表于 2015-12-31 09:07 ? 28708次阅读
三种IGBT驱动电路和?;し椒ㄏ杲? /></a>
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智能手机控制系统方案

移动互联网时代,智能手机是主要的应用平台。在家居环境中,智能手机可以作为控制终端,控制家里的每一个智...

发表于 2015-11-30 16:21 ? 545次阅读
智能手机控制系统方案

详解车载摄像系统电路设计—电路图天天读(286)

车载摄像装置主要是由CCD摄像机、图像采集卡、光源等设备组成。

发表于 2015-11-20 13:58 ? 1761次阅读
详解车载摄像系统电路设计—电路图天天读(286)

详解LED驱动电路集锦—电路图天天读(268)

在通常的直流值流转换器应用中,控制电路采用由一只电感和一只电容构成的功率级,并通过一个电阻分压网络的...

发表于 2015-10-26 10:46 ? 10271次阅读
详解LED驱动电路集锦—电路图天天读(268)

详解步进电机驱动电路设计—电路图天天读(257)

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、...

发表于 2015-10-10 11:39 ? 19358次阅读
详解步进电机驱动电路设计—电路图天天读(257)

继电器的工作原理以及驱动电路解析 —电路图天天读...

继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动...

发表于 2015-09-15 10:59 ? 15521次阅读
继电器的工作原理以及驱动电路解析 —电路图天天读...

D类功率放大器电路设计与调试

D类放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM或PDM的脉冲信号,然后用PWM的脉冲...

发表于 2015-09-14 14:28 ? 1100次阅读
D类功率放大器电路设计与调试

无线调光系统电路设计与方案详解

不少终端系统厂商从目前白炽灯的市场出发,利用无线技术,完成可控硅调节白炽灯的改造。然而照明接收端的无...

发表于 2015-08-24 09:47 ? 2758次阅读
无线调光系统电路设计与方案详解

LED性能如何优化?

  本文介绍了成本,设计简洁,功耗和长寿之间的权衡,在高驱动电流运行一个给定的LED应用。

发表于 2015-08-19 09:42 ? 791次阅读
LED性能如何优化?

D类功放系统结构与电路设计解析 —电路图天天读(...

本系统由高效率功率放大器、信号变换电路、外接测试仪表组成,是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变...

发表于 2015-08-18 11:36 ? 6695次阅读
D类功放系统结构与电路设计解析 —电路图天天读(...

工程师十年总结:LED设计经典问题解答

近年来,LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED...

发表于 2015-08-17 16:16 ? 7386次阅读
工程师十年总结:LED设计经典问题解答

汽车电子电路设计图集锦 —电路图天天读(223)

随着汽车工业的发展,汽车上的电子控制系统数量呈指数增长,以ECU为核心的车载电子控制系统逐步取代了被...

发表于 2015-08-13 15:07 ? 12989次阅读
汽车电子电路设计图集锦 —电路图天天读(223)