基于电子快门自动增益的CCD驱动电路研究

     摘 要：为了满足目前CCD测量领域中高速、高精度的测量要求，设计了TCD1304传感器的专用驱动电路。该驱动电路的一大特性就是电子快门，其将光积分时间缩短了一个数量级，至几个微秒，极大地提高了测量速度；同时，通过对CCD输出信号A／D采样分析，实时调节电予快门时间，实现自动调节控制，提高了测量精度。经实验证明，该测量方法在高速实时在线测量领域有很好的应用前景。

　　0引言

　　CCD是以电荷包的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，目前市场上的CCD器件并未对其驱动信号、输出信号做任何处理。因此，在实际应用中，需要根据CCD的型号、用途和应用领域的不同而设计不同的驱动电路，以及数据采集、处理系统。CCD 的光积分时间决定着CCD的曝光量，在不同的光照强度下，需要的实际光积分时间不同。光强较弱时需要较长的光积分时间，以使光敏单元吸收到足够的光信息；相反，光强很强时，光积分时间不能太长，否则CCD的输出信号会饱和失真，不能准确地反应要测量的信息。因此要得到精确的测量信号，就需要实时的调节光积分时间。

　　CCD传感器必须在一定的驱动脉冲的作用下才可以完成信号电荷的转移、输出。在一定的驱动频率内，提高驱动信号的频率则会加怏电荷包的移动，从而提高测量速度；反之，降低驱动信号的频率则会降低测量速度。因此要提高测量速度就要提高驱动信号的频率，而在某些场合需要将光积分时间提高到10us时，就需要将时钟频率提高到几百兆，频率太高又引出更难、更复杂的问题，而且这种方法下测量速度的提离空间也是有限的。

　　本文的主要任务就是解决上述的CCD目前在其应用领域中存在的不足。

　　1 TCD1304的特性及驱动信号要求

　　TCD1304 是一款高灵敏度、低暗电流，具有3648个像元（46个哑元）的线阵图像传感器，可以用于终端的人工扫捕器。TCD1304的一大特性就是具有电子开关，而电子开关的主要功能是可以使CCD的输出信号根据光照的强弱实时的进行调整。其各管脚的名称及作用如表1所示。

表 1 TCD1304 管脚名称及功能介绍

　　其内部结构由光电二极管和电荷转移电极组成的光敏单元、两个CCD模拟移位寄存器、两个转移栅、输出缓存机构和驱动信号内部逻辑电路五个部分组成。

　　各驱动脉冲的时序要求如图1所示；OS 为CCD的输出信号。

　　如图1所示，帧转移信号SH两个连续下降沿之间的时间tINT即为光积分时间，在这段时间光敏单元开始将接收到的光信号转化为电信号，并将电荷包按奇偶顺序转移到模拟移位寄存器中。该时间的长短不再依赖于基础时钟信号ΦM，与传统的其他型号的CCD有很大不同。只需要调节脉冲的占空比FF可实现对光积分时间的调整，可以很大程度地缩短tINT，同时不需要改变基础时钟的频率，避免了高频干扰。

　　在光积分时间范围内，伴随着复位脉冲上升沿的到来CCD光敏单元开始产生反映光信息的电荷包。电荷包以奇偶顺序被送到光敏单元两旁的转移栅中，在数据时钟的驱动下经过CCD内部数据处理电路输出OS信号。

图1 TCD1304的驱动脉冲波形图

　　2 驱动信号的硬件实现电路

　　驱动信号硬件电路的整体框图如图2所示：采用高稳定性的有源晶振产生基础脉冲信号CP，再通过计数分频产生两个脉冲信号，经过J－K触发器，分时选通，即可得到复位脉冲信号ICG，以ICG为触发信号，触发单稳触发器CD4538生成占空比可调的帧转移信号SH。

　　因此，缩短光积分时间只要调节SH信号的占空比即可，不需要再提高基础时钟的频率。

 

图2 驱动电路整体框图

　　图3即为复位脉冲ICG、帧转移信号SH的实验调试结果，实验表明，此种原理调节光积分时间更加灵活方便，而且稳定度好、精度高。

 

图3 ICG，SH波形时序图

　　3 数据采集及自动增益控制的实现

　　自动增益控制的实现主要是通过控制CCD的输出信号使其保持在一定范围内，既不会因峰值过大而饱和失真，也不会困峰值太小而影响测量精度。这个范围的确定可根据实际需要确定。峰值大于范围上限时缩光积分时间，避免出现饱和失真的现象。反之，当小于范围下线时延长光积分时间，以使光敏单元得到足够的曝光量。

　　CCD的输出信号是模拟量，需要经过一系列的处理，放大、倒相、峰值保持等，将得到的峰值信号经过A/D转换送入单片机。单片机通过得到的数字量发出控制命令，调节单稳触发器的数字式电位计，改变SH信号的占空比，光积分时间也随之改变，实现自动增益控制。

　　整体框图如图4所示。

图4 数据采集系统整体框图

　　A／D 转换选择的是8位逐位逼近式双通逍A／D转换器ADC0832，最高分辨率可达2ˉ8，可以适应一般模拟量的转换要求，且转换速度怏、稳定性能强。单片机选择的是美国ATMAL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机AT89C2051。兼容标准的MCS－51指令系统，片内置能用8位中央处理器和FLASH存储单元。可重擦写。

　　自动增益控制流程图如图5所示。

　　自动控制制积分时间主要是通过调节SH信号的占空比，因此，以单稳触发器为核心的脉冲发生器设计部分选用了数字式电位计X9C103。可以通过单片机发送指令改变阻值，从而改变脉冲发生器的输出信号。经过多次调试得出其有效阻值有一定的范围，而且改变阻值过程中要加入适当的延时，这两点在编写程序时需要考虑进去。

图5 自动增益控制流程图

　　图6所示的即是自动增益控制的调试结果。在调试过程中为了便于观测信号，用黑色胶带粘在CCD器件的感光面，只留中间一道缝隙，因此，CCD的输出信号只在惑光位置有一较窄的脉冲， 如图6所示。当CCD输出信号很弱时，光积分时间不断的在增大，CCD的输出信号也在不断的增强。

图6 自动增益控制调试图

　　4.结语

　　本文主要介绍了一个带电子快门的可实现自动增益控制的高速CCD驱动电路的设计原理及实验结果。

　　经过实验调试的结果在不改变时钟频率的基础上将光积分时间缩短至几个微秒，大大提高了测量速度。同时通过自动增益控制使CCD的输出信号始终保持在阈值范围之内，从而保证了测量的精度。该测量方法在高速、高精度实时在线测量领域有很好的应用前景。