基于CPLD的CCD信号发生器的研究

文章摘要：1 引言CCD (Charge Coupled Devices)电荷藕合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体 器件。目前CCD作为光电传感器由于其具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁 等优点以及在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输、自扫描等特性，广泛地应用于摄像 材、气象、航天航空、军事、医疗以及工业检测等众多领域。我们需要对CCD相机所获取的大量高速图像数据进行采集、存储，以便做后续处理和应 用，而进行这一系列信号处理之前，目标信号的获取及所获信号的质量关系到调试整个相机 系统的关键。在调试相机系统时，由于调试的系统总有一些不完善的因素，同时又因为多次 的调试也会增加CCD

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　　1 引言

　　CCD (Charge Coupled Devices)电荷藕合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体 器件。目前CCD作为光电传感器由于其具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁 等优点以及在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输、自扫描等特性，广泛地应用于摄像 材、气象、航天航空、军事、医疗以及工业检测等众多领域。

　　我们需要对CCD相机所获取的大量高速图像数据进行采集、存储，以便做后续处理和应 用，而进行这一系列信号处理之前，目标信号的获取及所获信号的质量关系到调试整个相机 系统的关键。在调试相机系统时，由于调试的系统总有一些不完善的因素，同时又因为多次 的调试也会增加CCD芯片的风险成本，尤其对于比较昂贵的CCD芯片，调试中如若经常使用将 会带来损坏的风险，因此在调试过程中对CCD芯片输出信号的分析和模拟就成为一项极其重 要的工作。本文设计了一种基于CPLD的可编程宽频、高精度CCD信号发生器。充分利用CPLD 的可编程性，模拟出CCD在各种复杂环境下的采集信号，同时满足系统对波形和时序的要求， 输出信号频率达到11MHz。

　　2 分析CCD 输出信号的特点

　　一个 CCD 信号的输出序列由复位脉冲开始，当FET 开关闭合时，图1 中的传感器电容上的电压为初始的参考电压值，这个参考电压值被称为复位馈通电平。经过一定的馈通延迟时 间后，这个电压值降低，成为真正的复位电平。此时，FET 开关打开，则像素电荷被转移到 这个电容上，相应的改变了电容上的电压值。这个电压值就是参考电平、像素电平以及一些 噪声叠加而成的。当CCD 开始工作读取有效信号时，输出信号在每个复位信号的上升沿时复 位，即在输出信号上出现复位干扰脉冲1,然后回到参考电平2，开始读取积分得来的是像元 信号3。实际像素宽度为3 的宽度，1、2、3 的宽度和为一个像素周期，每个像素的信号幅 度为2 和3 的高度差，这些都是CCD 输出信号的重要参数。CCD 输出的信号中包含了较大的 直流分量。直流偏置电压是CCD 正常工作所不可缺少的，其值在几伏到十几伏范围内变化， 并且只消耗几毫安以下的电流，很容易由稳压电源必要时经电阻或电位器分压以及电容滤波 得到。

　　图1 CCD输出信号

　　3 硬件结构

　　整个系统由数字信号发生模块、数模转换模块和输出处理模块3部分构成。选取CPLD以构成 信号发生模块，充分利用它的可编程性，构造出CCD在各种复杂环境下的采集数据，同时生 成与数据信号相匹配的控制信号，控制下级数模转换模块的工作。数模转换模块接收上级发 送过来的数据和控制信号，在控制信号的控制下将数据转换为模拟信号输出。由于该模块的 转换输出为电流，所以还需要增加一个转换模块将电流转换为系统所需要的电压信号，同时 为了满足系统对信号精度的要求，还需要增加有源和无源滤波电路模块。系统框图如图2所 示，晶振作为CPLD的时钟信号（clk）输入，其它的信号均由其产生。

　　图2系统原理框图

　　主要工作分为以下几个方面：

　　（1）信号发生模块

　　利用 VHDL 语言设计CCD 输出图像信号和时序控制信号，输出信号有模拟出来的数字图 像信号（10 位并行输出）和时序控制信号，主要包括：相关双采样信号，A/D 采样所需时序 脉冲信号，行、场同步脉冲信号等。

　　（2）数模转换模块

　　将模拟的数字信号经由数模转换器得到模拟信号，高速的数模转换器件一般都是电流查 分输出，因此需要对输出的模拟信号进行后续处理。

　　（3）输出处理模块

　　对由 DAC 输出的模拟信号，通过运放将其转换为电压输出信号，并进行进一步处理得 到符合要求的CCD 输出信号。

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