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FPGA控制下面阵CCD时序发生器设计及硬件实现

发布时间:2020-07-21 17:36:56 阅读: 来源:锐钛型钛白粉厂家

摘要 在分析Sony公司ICX098BQ面阵CCD图像传感器驱动时序的基础上,对可调节曝光时间的CCD时序发生器及其硬件电路进行设计。选用FPGA器件作为硬件设计平台,使用VHDL语言对时序关系进行了硬件描述。采用QuartusII 8.0对所设计的时序发生器进行了功能仿真,并以Altera公司的可编程逻辑器件为核心进行硬件适配。实际测试表明,所设计的驱动时序发生器能够满足面阵CCD的驱动要求。实现了设计目的。关键词 面阵CCD;FPGA;时序发生器 CCD是利用光电转换原理把图像信号转换为电信号,即把一幅按空间域分布的光学图像,转换成为一串按时间域分布的视频信号的半导体元器件。因其具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、工作稳定、寿命长、自扫描和便于同计算机接口等优点,被广泛应用于图像传感和非接触式测量。CCD应用的关键问题之一,是驱动时序发生器设计。它直接关系到CCD的信号处理能力、转换效率和信噪比等光电转换特征。针对Sony公司面阵CCD ICX098BQ的工作原理和驱动时序的要求,给出了驱动时序发生器的具体设计,使用VHDL语言对驱动时序发生器的实现方案进行了硬件描述,采用Quartus II 8.0对所设计的时序发生器进行了功能仿真,在该驱动时序发生器作用下,对Sony公司ICX98BQ面阵CCD产生的输出信号波形进行了验证。1 CCD成像系统 CCD成像系统如图1所示,目标通过光学系统成像在CCD上。在偏置电压和驱动脉冲的作用下,CCD完成光电荷的转移、存贮等工作,将光信号转换成具有直流分量的模拟电信号。形成的模拟电信号经过信号处理器,进行除噪、增益和模数转换后,将数据传输到显示器或计算机上,进行后期处理。在上述系统中,CCD信号采集模块是关键。对此,主要对CCD信号采集进行分析。

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2 面阵CCD图像传感器驱动时序分析2.1 Sony ICX098BQ型面阵CCD ICX098BQ是Sony公司生产的一款1/4英寸(0.635 cm),具有可变电子快门的行间转移型彩色面阵CCD芯片,芯片结构如图2所示。该芯片灵敏度高,暗电流小,具有较好的抗弥散功能。

ICX098BQ芯片由感光阵列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和输出放大器4个主要部分组成。要使该CCD芯片正常工作,需要8路驱动时钟来驱动。分别为4路垂直转移时钟Vφ1、Vφ2A、Vφ2B、Vφ3,控制垂直移位寄存器中的电荷信号向水平移位寄存器移动,其中当Vφ2A和Vφ2B为+15 V高电平时作为读出转移时钟,将感光阵列的信号电荷转移到垂直移位寄存器中;两路水平转移时钟Hφ1、Hφ2,控制水平移位寄存器中的电荷信号向前迁移;复位门时钟RG,使水平移位寄存器中的电荷信号顺利输出,其频率为10 MHz,直接决定CCD电荷信号的水平输出频率并控制曝光量的电子快门时钟φSUB。 上述驱动信号均由CCD驱动时序发生器产生。由于面阵CCD的驱动信号数量多,相位要求严格,且需要多种电压的驱动,因此进行时序分析并设计出高精度的驱动时序电路是问题的关键。

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