基于VHDL的圖像傳感器TCDl206的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要:介紹圖像傳感器TCDl206的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)原理、引腳功能,并詳細(xì)分析其驅(qū)動(dòng)時(shí)序。通過研究采用VHDL實(shí)現(xiàn)TCDl206驅(qū)動(dòng)脈沖的方法及邏輯設(shè)計(jì)原理,完成了驅(qū)動(dòng)脈沖的VHDL程序設(shè)計(jì)和時(shí)序仿真。仿真結(jié)果證明了該驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

電荷耦合器件CCD(Charge Couple Device)是集光電轉(zhuǎn)換、電荷儲存、電荷轉(zhuǎn)移為一體的新型光電傳感器件。該器件的主要功能是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)對其施加特定時(shí)序脈沖時(shí),其存儲電荷能在CCD內(nèi)作定向移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)自掃描.輸出電壓信號的大小與CCD單元存儲的電荷多少成正比,CCD單元存儲電荷多少與光的強(qiáng)度和CCD單元光積分時(shí)間成正比。與傳統(tǒng)的光電傳感器相比,CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小,動(dòng)態(tài)范圍大,光譜響應(yīng)范圍寬,分辨率高,輸出信號線性度好,功耗低,體積小,壽命長等優(yōu)點(diǎn)。而CCD應(yīng)用的關(guān)鍵就是獲取驅(qū)動(dòng)脈沖,這里分析線陣CCD-TCDl206的工作原理和對驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的脈沖產(chǎn)生方案。該設(shè)計(jì)采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD作為硬件設(shè)計(jì)平臺,通過超高速硬件描述語言VHDL描述驅(qū)動(dòng)方案,采用Altera公司的仿真軟件QUARTUS II對其驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行仿真。

1 TCDl206的主要特點(diǎn)

TCDl206是一款高靈敏度、低暗電流、2 160像元的雙溝道線陣CCD圖像傳感器。由2 236個(gè)PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏元陣列,其中前64個(gè)和后12個(gè)是用作暗電流檢測而被遮蔽的,中間2 160個(gè)光電二極管是曝光像敏單元,每個(gè)光敏單元的尺寸為長14μm、高14μm,中心距亦為14μm。光敏元陣列總長為30.24 mm。

TCDl206的主要特性有:1)光敏像元數(shù)為2 160像元;2)像敏單元為:14μmxl 414μm(相鄰像元中心距為14μm);3)光譜范圍為250~l 100 nm:4)光敏區(qū)域采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元;5)時(shí)鐘為二相(5 V);6)內(nèi)部電路包含采樣保持電路,輸出預(yù)放大電路;7)采用22引腳DIP封裝。

2 TCDl206的結(jié)構(gòu)原理和引腳功能

2.1結(jié)構(gòu)原理

TCDl206是二相電極的雙溝道線型CCD,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。中間一排是由多個(gè)光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列,有效單元為2 160位,其作用是接收照射到CCD硅片的光,并將其轉(zhuǎn)化成電荷信號,光敏元兩側(cè)是存儲其電荷的MOS電容列一存儲柵。MOS電容列兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH。轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器,其輸出部分由信號輸出單元和補(bǔ)償單元構(gòu)成。

2.2引腳功能

TCDl206器件采用DIP封裝,各引腳功能如表1所示。

3 驅(qū)動(dòng)時(shí)序及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析

TCDl206在圖2所示的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下工作。當(dāng)SH脈沖高電平到來時(shí),φ1脈沖為高電平,其下形成深勢阱,同時(shí)SH的高電平使φ1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通。MOS電容中的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的φ1電極下的勢阱中。當(dāng)φSH由高變低時(shí),φSH低電平形成的淺勢阱將存儲柵下的勢阱與φ1電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進(jìn)入光積分狀態(tài),而模擬移位寄存器將在φ1與φ2脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中的信號電荷向左轉(zhuǎn)移,并經(jīng)輸出電路由OS電極輸出。DOS端輸出補(bǔ)償信號。

由于結(jié)構(gòu)上的安排,OS端首先輸出 13個(gè)虛設(shè)單元信號,再輸出51個(gè)暗信號,然后才連續(xù)輸出Sl到S2160的有效像素單元信號。第S2160信號輸出后,又輸出9個(gè)暗信號,再輸出2個(gè)奇偶檢測信號,以后是空驅(qū)動(dòng)?镇(qū)動(dòng)的數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇偶傳輸?shù),所以在一個(gè)SH周期中至少要有1 118個(gè)φ1脈沖。RS為復(fù)位級的復(fù)位脈沖,復(fù)位一次輸出一個(gè)信號。

3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的作用是給CCD提供正常工作所需要的邏輯時(shí)序脈沖和偏置工作電壓.并在CCD的輸出端把光電轉(zhuǎn)換得到的電荷量轉(zhuǎn)變成電壓量輸出。驅(qū)動(dòng)脈沖信號的波形、相位、前后沿時(shí)間等對器件工作有很大影響。

為了保證CCD工作穩(wěn)定可靠.必須設(shè)計(jì)符合CCD正常工作要求的時(shí)序脈沖和驅(qū)動(dòng)控制電路,驅(qū)動(dòng)控制脈沖與CCD良好配合,才能充分發(fā)揮CCD的光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移等功能。不同型號的CCD要求的工作參數(shù)不同,很難設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)控制電路同時(shí)滿足多種CCD工作需要,即使是相同像元數(shù)的CCD器件,若型號不同也不具有互換性。

TCDl206傳感器的驅(qū)動(dòng)脈沖都為周期性方波,但周期和占空比不同。其4路驅(qū)動(dòng)脈沖之間需要滿足特定的時(shí)序關(guān)系:根據(jù)驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序圖可知在1個(gè)SH周期中至少有l(wèi) 118個(gè)φ1脈沖。即TSH>l 118T1,T1為驅(qū)動(dòng)脈沖φ1的周期。這里選擇TSH=1 128T1。在SH為高電平期間,要求φ1l與φ2有一個(gè)大于SH=1持續(xù)時(shí)間的寬脈沖,這是由于此時(shí)像元中的電荷正在向兩列寄存器中轉(zhuǎn)移,如果在此期間φ1與φ2有上升或下降沿出現(xiàn),則會(huì)造成電荷轉(zhuǎn)移不完全的情況。時(shí)鐘脈沖φ1,φ2頻率的最大值是l MHz,典型值是0.5 MHz。復(fù)位脈沖RS頻率的最大值是2 MHz,典型值是1 MHz。本設(shè)計(jì)中都選用典型值。而且φ1、φ2必須反相,占空比l:l;SH的高電平脈沖寬度要小于φ1,φ2;RS與CLK時(shí)鐘的占空比為l:4。

 

作者:崔朋朋,劉艷萍,楊玉芝 河北工業(yè)大學(xué)   來源:電子科技
微信掃描分享本文到朋友圈
掃碼關(guān)注5G通信官方公眾號,免費(fèi)領(lǐng)取以下5G精品資料
  • 1、回復(fù)“YD5GAI”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng):5G網(wǎng)絡(luò)AI應(yīng)用典型場景技術(shù)解決方案白皮書
  • 2、回復(fù)“5G6G”免費(fèi)領(lǐng)取《5G_6G毫米波測試技術(shù)白皮書-2022_03-21
  • 3、回復(fù)“YD6G”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng):6G至簡無線接入網(wǎng)白皮書
  • 4、回復(fù)“LTBPS”免費(fèi)領(lǐng)取《《中國聯(lián)通5G終端白皮書》
  • 5、回復(fù)“ZGDX”免費(fèi)領(lǐng)取《中國電信5GNTN技術(shù)白皮書
  • 6、回復(fù)“TXSB”免費(fèi)領(lǐng)取《通信設(shè)備安裝工程施工工藝圖解
  • 7、回復(fù)“YDSL”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng)算力并網(wǎng)白皮書
  • 8、回復(fù)“5GX3”免費(fèi)領(lǐng)取《R1623501-g605G的系統(tǒng)架構(gòu)1
  • 本周熱點(diǎn)本月熱點(diǎn)

     

      最熱通信招聘

    業(yè)界最新資訊


      最新招聘信息