基于CCD图像传感器驱动电路的设计
CCD驱动电路及处理电路设计
线阵CCD系统设计童列树驱动电路设计：TCD1209D采用双向时钟驱动，要正常驱动此CCD工作，除了要提供电源外，还需提供6个驱动的信号：SH转移脉冲信号、RS复位脉冲信号、CP缓冲控制脉冲信号、Ф1和Ф2（Ф2b）模拟移位寄存器的驱动双相脉冲信号。
其中Ф2和Ф2b都是Ф2转移电极的驱动信号，只是Ф2b在模拟移位寄存器上所处的位置最靠近输出端，信号电荷将从Ф2b电极下的势阱通过输出栅转移到输出端。
但是Ф2b和Ф2的时序是一样的，可以合为一路信号，所以CCD实际上只要5路信号。
转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲Ф1必须为高电平，而且保证SH的下降沿落在Ф1的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行地向模拟移位寄存器的Ф1电极转移。
完成信号电荷的并行转移后，SH变为低电平，光敏区与模拟位移寄存器被隔离。
在光敏区进行光积累的同时，模拟位移寄存器在驱动时钟中Ф1和Ф2的作用下，将转移到模拟移位寄存器的Ф1电极里的信号电荷向输出方向移动，在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出。
ADC的选择：对于驱动电路来说，还要对ADC进行控制，系统所用的数模转换芯片是AD9224。
AD9224是一款12位，40MSPS的高性能的模数转换器，它具有高性能采样保持放大器和参考电压参考。
因为AD9224使用的时候受ADC 时钟的控制，图3所示是其工作的采样时序图。
AD9224 概述：AD9224是一款单芯片、12位、40 MSPS 模数转换器（ADC ），采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。
AD9224采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在40 MSPS 数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。
AD9224 特性∙ 低功耗：415 mW ∙ +5 V 单电源 ∙ 保证无失码∙ 微分非线性（DNL ）误差：±0.33 LSB ∙ 片内采样保持放大器和基准电压源 ∙ 信噪比（SNR ）：68.3 dB∙无杂散动态范围（SFDR ）：81 dB ∙ 超量程指示∙ 数据输出格式：标准二进制 ∙ 28引脚SSOP 封装 ∙与3 V 逻辑兼容AD9224 参数AD9224 基本参数分辨率(Bits) 12吞吐率 40 MSPS AD9224 其他特性 工作电压(V) 4.75-5.25 输入通道数 1AD9224 封装与引脚SSOP28信号的调理：在带有模拟电路的设计中，信号的调理成为不可缺少部分。
一种CCD驱动电路的设计方法
编程对其硬件结构和工作方式进行重构 ，从而使得硬 件设计如 同软件设计那样方便快捷 。 Ｉ—３ ＬＰ 正常工作时需要 ６ 路驱动信号 ， 即两相时钟 信号 Ｃ １ Ｃ ２ Ｒ 和 Ｒ 、信号输出时钟信号 Ｃ Ｌ Ｓ 、像 元 Ｒ ＡＴ 复位信号 Ｒ Ｔ Ｓ 、行转移 同步信号 Ｔ Ｋ、积分 时间控制 Ｃ 信号 Ｐ 。整个驱动信号的工作过程如下 ：当 Ｔ Ｋ 的 Ｒ Ｃ 高电平到来时， Ｃ Ｃ Ｄ传感器曝光的光敏单元会将采集
号 到来前 ，对残余信号进行清除。各驱动脉冲必须严
、 州． ｉ ｅ ４３ ＾ ｃ ｍ．３ ｆ ｎ ＿ ｖ ， １
中阑儇嚣｛表 ２ ７ 第６ 彝 ０年 期 ０
Ａｂ ｔ ｃ ： ｉ ａ ｔ ｌ ａ ｅ ＣＣＤ ｍａ ｅ ｓ ｎ ｏ Ｐ ｓ ｎ ｅ ａ ｌ， ｎ ａ ａ ｙ ｉ ｆ ｔ ｍ ｅｓ ｒｅ ｒｖ ｎ ｃ ｒ ｕ ｔ ａ ｉ， ｓｒ ｔ ａ Ｔｈ ｓ ｒ ｃ ｅｔ ｋ ｉ ｉ ｇ ｅ ｓ ｒＩ ３ ａ ｘ ｍｐ ｅ ｉ ｎ ｌ ｓ ｏ ｓｔ ｅ ｉ ｓｄ ｉ ｅ ｉ ｉ ｂ ｓｓ Ｌ— ａ ｓ ｉ ｉ ｃ
高速 Ｃ Ｄ 的驱动时序是一组周期性且关系比较 Ｃ 复杂的脉 冲信号 ，它是影响 Ｃ Ｄ 器件的信号处理 能 Ｃ 力、转移效率、信噪高和采样速度快等 一系列特点，而成为现代 电
子学 和 现 代测 试 技 术 中最 话 跃 的传 感 器 。在 Ｃ Ｄ 应 Ｃ
Ｋｅ ｒ ｓＣＣＤ Ｄｒｖ ｎ ｃｒｕｔ Ｉ — ３ ＣＰ Ｄ ｙｗｏ ｄ ： ｉｅ ｉｃ ｉ Ｌ Ｐ Ｌ
随着 科学 技术 的发 展和数 据采 集系 统 的广 泛应 用 ， 人 们 对 数 据 采集 传 输 系统 的主 要 指 标 ，如 采样 速 率 、
延迟的表面栅光敏单元 ；最大行扫速率为 １ｋ ｚ Ｈ ；过 ９ 饱和曝光时间的控制 ；动态范围大于 １０： ； ８０ １ 具有 良
基于CPLD的面阵CCD驱动电路设计
（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）
Abstract：In design of a TEM camera with CCD ICX285AL as the image sensor，an array CCD driving circuit based on
像 元 数 为 1 434（H）× 1 050（V），由 于 采 用 EXview HAD
CCD 技术，在 500~600 nm 之 间 的 量 子 效 率 达 到 60%以
上 [4]，非常适合拍摄透射电子显微镜闪烁体的荧光图像，
因此选择 ICX285AL 作为 TEM CCD 相机的图像传感器。
ICX285AL 内部结构如图 1 所示，包含感光单元、垂
摘
100191）
要 ：在 透 射 电 子 显 微 镜 相 机 的 研 制 中 ，针 对 SONY 行 间 转 移 面 阵 CCD ICX285AL 图 像 传 感 器 ，设 计 了 一 款 基 于
CPLD 的面阵 CCD 驱动电路。以 Altera 公司的 CPLD 芯片 EPM570T100 作为时序发生器产生 CCD 驱动信号和相关双采样控
直移位寄存器、水平移位寄存器三个部分。在积分时间
结 束 后 ，感 光 单 元 电 荷 转 移 到 相 邻 的 垂 直 移 位 寄 存 器
中 ，在 垂 直 转 移 脉 冲 VФ1，VФ2A ，VФ2B，VФ3，VФ4 共同作用下
器，设计了一款基于 CPLD 的面阵 CCD 驱动电路，以提
一 行 一 行 地 转 移 到 水 平 移 位 寄 存 器，在 水 平 转 移 脉 冲
基于CCD图像传感器驱动电路的设计
摘要：本文以tcd1501c型ccd图像传感器为例。
介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计，驱动时序参数可以通过vhdl程序灵活设置。
该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品中。
关键词：ccd 驱动时序放大器1引言电荷耦合器件(ccd)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。
目前随着ccd器件性能不断提高。
ccd驱动器有两种：一种是在脉冲作用下ccd器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵ccd摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。
所以根据不同应用领域和技术指标要求。
选择不同型号的线阵ccd器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是ccd应用中的关键技术之一。
2ccd工作原理ccd是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
当光入射到ccd的光敏面时，ccd首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。
ccd的工作原理是被摄物体反射光线到ccd器件上，ccd根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。
基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵ccd可以实现图像传感和尺寸测量的功能。
3驱动电路的实现图像传感器tcd1501c的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。
使ccd芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生ccd工作所需的多路时序脉冲；二是对ccd输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。
基于FPGA的CCD传感器驱动电路设计
基于FPGA的CCD传感器驱动电路设计摘要：对CCD图像采集系统工作原理进行研究并进行驱动电路设计，针对SONY 公司的ICX625AQA帧行间转移双通道CCD，对其工作原理和驱动时序进行详细分析，选用现场可编程阵列（FPGA）为主控单元，采用verilog 硬件描述语言进行驱动程序设计，结合AD9974和CXD3400构建硬件电路，提供高质量低干扰水平和垂直驱动信号，前者同时集成了14位高速AD，进行CCD输出信号模拟前端处理。
关键词：行间转移；FPGA；双输出通道；CCD；电荷耦合器件（CCD）其以高灵敏度、大动态范围、低噪声、功耗低和采样速度快等特点，逐渐成为现代测试技术中活跃的传感器，广泛应用于高精度测量、空间遥感和机器人视觉等领域。
CCD的驱动时序产生方法主要有四种：直接数字电路（IC）驱动法、单片机驱动法、EPROM驱动法和可编程逻辑器件法等。
其中，EPROM驱动法结构简单调试便捷但结构尺寸较大；现场可编程逻辑阵列（FPGA）简单来说就是可反复编程的逻辑器件，在设计完成后可根据需要很方便地对设计进行改进、更新和维护。
采用FPGA进行CCD驱动开发其具有高集成度、高可靠度、短开发周期和调试灵活方便等优势。
1 ICX625AQA结构及特点ICX625AQA是SONY公司的一款行间转移面阵彩色传感器，总像素2536（H）×2068（V），约5.24M像素，其中有效像素2456（H）×2058（V），约5.05M像素，像元尺寸3.45µm（H）×3.45µm（V），有效成像面积86.391mm2。
ICX625AQA具有双输出通道，三种工作模式：全像素扫描输出、4/16行读出和中心扫描输出模式，采用全像素扫描输出模式帧频可达到15帧/秒。
由于采用了SONY公司的Super-HAD CCD技术，具有高灵敏度和低暗电流噪声的有点，同时采用电子快门便于进行曝光时间控制。
基于CPLD的CCD驱动电路的设计
前 ３种 方法基 本偏 重硬 件 的实现 ， 调试 困难 ， 活性 灵 较差 。而后 一种 方法 虽 编 程 灵 活 ， 但存 在 资源 浪 费
较 多 、 率较低 的缺陷 ¨ 。 频
离 行 。该 Ｃ Ｄ需要 ｌ 驱动 信 号 。包 括 感光 区转 Ｃ ２路 移 脉 冲 （ ：１２，， ） 存储 区转 移脉 冲 Ｍ ｉ ｉ ， ３４ 、 （ （ ＝１ ｉ ， ＝１２３４ 、 储 区到 水 平读 出移位 寄存 器 转移 脉 ， ，，）存 冲 Ｍ、 水平 读 出移 位 寄 存 器 转 移 脉 冲 ２ 、 出放 大器 复位脉 冲 彻 。 ）读 由该 款 Ｃ Ｄ的结 构可 知 ， Ｃ Ｃ Ｃ Ｄ的一个 工作 周期 分 为 两个 阶段 ： 光 阶段 和 高 速 转移 阶段 。感 光 阶 感
只须将 Ｃ Ｌ 内部 逻 辑 重 新 编 程 即可 。２因此 非 常 ＰＤ ｌ 适合 Ｃ Ｄ驱 动 电路 的 设 计 、 作 、 试 和进 一 步 开 Ｃ 制 调 发、 升级 。现 给 出一 个 基 于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ技 术 的 面阵 Ｃ Ｄ Ｃ 驱动 电路 的完 整 的硬件设 计 。
Ｓ ｉＴ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｃｅ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ
基于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ的 Ｃ Ｄ驱 动 电路 的 设 计 Ｃ
陈 智 邱 跃 洪 张 伯 珩 ’
（ 中国科学院西安光学精密机械研究 所 西安 ７ ０ １ ； ， １ １９ 中国科学院研究生院 北京 １０ ３ ， ０ ０９）
智（ ９ ８ ） 女 ， １７ 一 ， 陕西西安 人， 汉族 ， 中国科 学
院西安光 学精密机械 所在读博士研究生 ， 研究方 向： 光电信号处理
及 Ｃ Ｄ相机设计 。Ｅ—ｍａ ： ｎ ｙｚ ｉ．ｉａ Ｃｒ。 Ｃ ｉ ｓ ｄｃ＠ｒｐ ｓ ．Ｏ ｌａ ｎ ｎ
CCD相机系统中驱动电路的设计
CCD相机系统中驱动电路的设计作者：项勤建,刘爽,龙再川来源：《现代电子技术》2009年第20期摘要:目前,线阵CCD图像传感器的种类很多,驱动时序的产生方法也是多种多样。
CCD时序驱动电路的设计是CCD应用的关键,只有设计出符合要求的驱动时序,CCD器件才能稳定可靠的工作。
常用的驱动方法存在某些缺点。
在详细了解线阵CCD器件μPD795,分析其驱动时序与电路逻辑后,没有使用常规方法,而是使用CPLD进行功能的实现。
该方法采用CPLD产生驱动,按要求写好VHDL代码产生可执行文件,通过JTAG接口下载到可编程器件中。
实验结果表明该电路稳定可靠,在线阵CCD驱动电路中具有一定的代表性。
关键词:CPLD;线阵CCD;驱动电路;图像传感器中图分类号:TP212文献标识码:B文章编号:1004-373X(2009)20-187-03Design of Drive Circuit for CCD Camera SystemXIANG Qinjian1,LIU Shuang1,LONG Zaichuan2(1.College of Optoelectronic Information,University of Electronics Science and Technology of China,Chengdu,610054,China;2.Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing,400060,China)Abstract:At present,there are many different types in linear array CCD image sensor,and the timing-driven method is multiplex.The design of drive circuit is the key for application of CCD.Only to design right timing-pulse can CCD device work stably and reliably.There are some shortcomings in the routine driven approach.For linear CCD μPD795,after analysing the timing-pulse and Circuit logic,using the CPLD for the functional realization.This method does not use the routine approach but use CPLD to create pulse.VHDL code is written and then the operational file is produced,through the JTAG interface downloaded to programmable devices.The experimental results show that the circuit is stable and reliable.It is representative in linear array CCD circuit driver.Keywords:CPLD;linear CCD;driving circuit;image sensor0 引言电荷耦合器件(CCD)是一种转换式图像传感器[1],是以电荷作为信号的MOS型半导体器件。
CCD摄像头电路设计
CCD摄像头电路设计CCD（电荷耦合器件）摄像头是一种常用的图像传感器，常用于数码相机、手机摄像头等设备中。
它通过将光转换为电荷，并将电荷转换为数字信号，实现图像的捕捉和传输。
下面将介绍CCD摄像头电路的设计过程。
1.摄像头传感器选择首先，需要选择合适的CCD摄像头传感器。
传感器的选择应根据具体应用需求来确定，包括分辨率、灵敏度、动态范围等参数。
同时，传感器的供电电压、输出接口等也需要考虑。
2.供电电路设计3.控制电路设计CCD摄像头通常需要通过控制信号来控制其工作模式、曝光时间等参数。
控制信号可以通过数字接口（如I2C、SPI）或模拟接口（如电压、电流）来实现。
设计控制电路时，需要考虑传感器的控制信号电平和电流要求，并合理选择控制器芯片。
4.时钟电路设计5.数据传输电路设计CCD摄像头传感器通常通过并行接口或串行接口将图像数据传输到后端处理器。
并行接口通常需要大量的引脚，而串行接口则可以减少引脚数量。
根据应用需求和数据传输速率要求，可以选择适合的接口类型，并设计相应的数据传输电路。
6.图像处理电路设计7.PCB设计最后，需要将以上设计的电路和组件布局在PCB（Printed Circuit Board）上。
在设计PCB时，需要考虑电路之间的布线、电源和地线的布置、电磁干扰的抑制等因素。
同时，还需要考虑PCB的尺寸、层数、材料等，以满足整体系统的需求。
总结CCD摄像头电路设计需要考虑供电电路、控制电路、时钟电路、数据传输电路、图像处理电路等方面。
在设计过程中，需要根据具体应用需求选择合适的传感器和电路组件，并合理布局、优化电路参数，以实现高质量的图像捕捉和传输。
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基于CCD图像传感器驱动电路的设计
摘要：本文以TCD1501C型CCD图像传感器为例。
介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计，驱动时序参数可以通过VHDL程序灵活设置。
该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品中。
关键词：CCD 驱动时序放大器
1引言
电荷耦合器件(CCD)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。
目前随着CCD器件性能不断提高。
CCD驱动器有两种：一种是在脉冲作用下CCD器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵CCD摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。
所以根据不同应用领域和技术指标要求。
选择不同型号的线阵CCD器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是CCD应用中的关键技术之一。
2CCD工作原理
CCD是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
当光入射到CCD的光敏面时，CCD首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。
CCD的工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。
基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵CCD可以实现图像传感和尺寸测量的功能。
3驱动电路的实现
图像传感器TCD1501C的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4V／lx.s～15.6V／lx.s。
使CCD芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生CCD工作所需的多路时序脉冲；二是对CCD输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。
最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。
3.1 基于VHDL的驱动时序设计
本部分的设计是基于Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1环境下开发实现的。
CCD器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵CCD 都是三相或四相驱动，多数线阵CCD都是二相驱动。
CCD为容性负载，工作频
率高时有一定的功耗，因此需要对CPLD输出的复位脉冲RS、移位脉冲(又称光积分脉冲)SH、箝位脉冲CP、采样脉冲SP，以及二相时钟脉冲Φ1E、Φ2E等各路驱动脉冲采用74HC14进行整形和驱动能力的放大，然后再送至TCD1501C器件的相应输入端，在CCD的模拟信号输出端将得到信号0S和补偿信号DOS。
TCDl501C正常工作时要有76个哑像元输出，一个扫描行周期内至少应包含有5 076个时钟脉冲，即TSH=5076×Φ1E0.1μs，在本设计中TSH=5200×Φ1E。
由此可见，改变时钟脉冲频率或增加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常Φ1E的频率设置为可调节的，这样可以根据CCD器件的实际应用环境灵活运用CCD器件的优点以改变光积分时间。
只要条件允许，为降低CCD 的电荷转移损失率。
CCD驱动脉冲的频率应尽可能小。
驱动脉冲的频率降低时，可以在示波器上观察到CCD输出信号幅值明显增强。
3.2 基于AD623的CCD输出信号差分驱动设计
CCD在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输出视频信号，复位脉冲RS 每复位一次，CCD输出一个光脉冲信号。
差分信号测量电路里差模和共模电压，VDIFF是信号差模电压，VCM是信号共模电压，信号输出VOUT=R2/R1·VDIFF=G·VDIFF理想状态下，一般差模增益G≥1，而共模增益(％mismatch／100)×G／(G+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。
共模抑制比(CMRR)就是差模增益G与共模增益的比值[3]。
用对数形式表示：201g[(100／％mismatch)×(G+1)]。
实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源中，如50Hz 交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在差分输入端，将会在输出端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的DC CMRR．还要有高的AC CMRR。
图2 CCD的OS端和DOS端输出波形
在电路设计中选用了ADI公司的仪器仪表放大器AD623。
AD623集成了3路运放，将视频信号及其补偿输出分别送至AD623的反相和同相输入端．在AD623的输出端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力。
选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。
4结束语
基于上述开发的线阵CCD驱动器已调试成功．并且用于某位置测量系统中，工作稳定可靠。
本设计方案只要再拓展AD转换部分就可以应用于成像系统的前端。
参考文献：
1.李杰.基于线性CCD的运动板材边缘检测器设计[J].北京.北京化工大学，2008，11.2:15-17
2.王庆有.CCD应用技术.天津：天津大学出版社，2006:173-179.
3.饶傅博，乔大勇.一种新型CCD驱动电路设计方法[J].传感技术学报.2005，18.2:64-47.。