??? 摘 要: 針對512×512的TK512B面陣CCD的驅動要求，采用靈活的數字式設置方法，設計了一套驅動時序電路，并以大規模可編程邏輯器件為核心實現了電路的仿真，電路功能正確，符合各種使用要求；其數字式設置方法可為進一步擴展功能及使用單片機進行控制預留了空間。
??? 關鍵詞: 面陣CCD? 驅動器? 可編程邏輯器件? 仿真
?
??? 面陣CCD器件的廣泛應用是在研制復雜的驅動器的基礎上發展起來的，隨著過去那種采用標準TTL電路構成系統的積木式電路的設計方法的摒棄以及大規模可編程器件" title="可編程器件">可編程器件的逐漸使用，數字電路設計的革命來臨了。針對不同的應用規模，可以采用不同規模的數字集成電路來實現，在CCD應用領域中也是如此。隨著線陣CCD、面陣CCD規模的擴大，采用的集成電路的規模也在擴大，從過去的GAL到現在的FPGA及ASIC，所完成的驅動功能也越來越完善。針對TK512B面陣型CCD的復雜驅動要求及用戶使用模式的要求，對于行數和像元數的控制采用靈活的數字式設置驅動方法，而對于每個像元的驅動則采用多狀態的譯碼工作原理，以便在一個像元的時序內達到更準確的精細時序驅動的要求，充分發揮CCD的性能和方便用戶調試。為了保證電路穩定可靠地工作，采用同步時序設計方法。CCD驅動的另一個關鍵問題是要保證光積分、行轉移、行－串行轉移、像元信號串行輸出" title="串行輸出">串行輸出狀態切換期間的平穩過渡，否則會丟失圖像信息和嚴重影響CCD工作。本文設計的驅動器很好地做到了各種狀態的切換，完全滿足CCD的驅動要求。
1 TK512B的驅動時序
??? TK512B面陣CCD是三相驅動型的，其典型的驅動時序如圖1所示。在光積分之前的幀擦除期，與串行轉移相關的驅動脈沖SA、S1、S2、S3全部為高電平" title="高電平">高電平，這樣可以將由P1、P2、P3及TG行驅動所轉移來的信號直接輸出面陣以消除光敏面和串行輸出寄存器內積累的暗本底信號；當進入光積分期間時，P1保持高電平而P2、P3及TG均保持低電平，這樣可以使光生電子聚集在P1相電極下，形成信號電荷包；當光積分完成時，首先是行間進行轉移，使P1相電極下的電荷包在P2、P3及TG的驅動下整行地逐漸轉移到串行輸出寄存器中，并保持在S1相電極下；隨后進行—行信號的串行輸出，轉移到串行寄存器中的一行信號在S1、S2、S3的驅動下將逐個輸出，在此期間P1保持高電平，P2、P3和TG保持低電平，從而保證光敏面中的未輸出信號繼續保持在P1相電極下，直到下一個行傳輸的開始；當一行串行信號轉移完時，就進行下一行的行間轉移和串行輸出轉移，直到光敏面上的所有信號輸出為止。
?
??? TK512B面陣CCD的有效光敏面陣列為512×512，實際上由于邊緣效應的影響，芯片的光敏面陣列為517×577，因此應對該陣列進行驅動才能保證CCD工作正常和圖像不受影響。每幀的前5行和每行的前64像元及最后一個像元為無效信號單元，在數據采集或圖像處理時應注意。
2? CCD驅動器框圖
??? 根據每幀行數、每行像元數的數字式設置方式以及細分像元驅動時序、行及像元轉移的平穩過渡要求，所設計的驅動器框圖如圖2所示。圖中包括快門及幀積分控制、行驅動控制、像元驅動控制及各種控制電路的時鐘控制等。圖中的中心控制電路主要負責各驅動時序的平穩、正常切換。
?
2.1 快門及幀積分控制
??? 針對有機械快門的相機結構，首先利用內部或外部觸發脈沖" title="觸發脈沖">觸發脈沖啟動機械快門使之打開，并利用機械快門上的觸點產生快門已開和關閉信號去控制電路產生驅動信號，其時序如圖3所示。圖中的SHUTTER-CON信號是內部電路對快門的控制信號" title="控制信號">控制信號，快門實際動作情況（SHUTTER-OPEN和SHUTTER-CLOSE）也如圖所示，它開啟和關閉的動作要遲后于控制信號；圖中的快門已開信號可以提供給外部電路作為事件觸發的控制信號。這種設計思想防止了在快門開啟階段產生觸發脈沖并引發實驗事件從而導致丟失信號的情況，并且保證了在快門完全關閉之后CCD才結束光積分并開始進行轉移，防止了因快門未完全關閉可能引起的圖像“拖尾”問題。
?
??? CCD光積分時間由一個12位的數字預置電路設置，計數脈沖頻率為1kHz，因此可設置的最大光積分時間為4095ms，設置的步進為1ms，并且可靈活設置CCD的曝光時間而不改變其轉移的總時間[2]，不會增加其暗本底信號。但由于機械快門打開和關閉時間的不穩定性，將導致所要求的光積分時間與設置時間不完全一致，因此對所要求的光積分時間有一個最小值限制，一般為10ms左右。
??? 每幀的啟動可以由外部觸發脈沖TRG（外同步方式、等待式）或內部的幀結束信號FRAME-END（連續方式）控制。在每幀的第517行及相應的第577像元所對應的CLK-S的最后一個狀態產生幀結束信號FRAME-END。
2.2 串行像元驅動時序
??? 如前所述，像元驅動時序采用精細時序的驅動原理，一個像元的驅動分為12個狀態，并產生與每行像元數控制及行控制有關的信號，如行結束信號、行啟動信號、像元數計數時鐘等，如圖4所示。由于采用精細的狀態劃分，輸出信號處理（相關雙取樣CDS電路[3]）所需的脈沖控制信號如SW的寬度可按照要求以一個主頻脈沖的寬度增加或縮短；驅動脈沖S1、S2、S3的寬度也可以改變，但必須符合三相驅動的交迭驅動原理要求。圖中的CLK-S作為每行像元數的計數脈沖，同時兼作行轉移驅動脈沖的同步脈沖以保證行及串行驅動脈沖電平的平穩過渡。
?
??? 在每行的串行轉移開始，以CLK-S作為每行像元數的計數脈沖對每行輸出的像元數進行計數；而在每一個CLK-S期間，按照要求產生串行驅動所需的S1、S2及S3驅動脈沖，同時也產生輸出處理所需的相關脈沖，如復位脈沖SA及CDS所需的SW信號。在串行轉移的有效期間，直接置位P1和復位P2、P3及TG，使光敏面上的信號電荷包保持不動而只有串行輸出寄存器中的信號電荷包發生轉移。當每行像元數計數值達到了預設置的577時，將會在CLK-S的最后一個狀態產生一個串行轉移結束信號以啟動行間轉移，如圖4所示。中間還需要其它的控制信號參加，在此不作多述。
??? 像元數設置、計數控制電路是由一個12位的數字寄存器及相應的計數控制電路組成，可對每行像元數多達4096的CCD的串行驅動進行控制。
2.3 行間轉移驅動時序
??? 該時序主要涉及P1、P2、P3和TG。串行結束信號啟動一個行間轉移，同時P1、P2、P3也要符合三相交迭驅動原理，因此設計的行間轉移時序如圖4所示。為了充分將轉移到P3相電極下的電荷包盡量轉移到S1相電極下，TG的寬度至少要與P3的寬度相同，但本驅動器中將TG的寬度設計為整個行間轉移的寬度以提高轉移效率，這點與圖1所示稍有不同，但不影響CCD的實際驅動。
??? P1同時作為每幀行數目控制的計數脈沖。當每幀行計數達到517并且每行像元計數達到577時，也會在CLK-S的最后一個狀態產生一個幀結束信號，該信號可以用于啟動下一幀的開始或觸發快門開啟控制電路而進入下一幀的工作時序。
??? 行數設置、計數控制電路也是由一個12位的數字寄存器及相應的計數控制電路組成，可對每幀行數多達4096的CCD的行驅動進行控制。
3 驅動器時序設計的關鍵
??? 每種狀態的結束時刻和啟動時刻的設計要求脈沖電平過渡平穩而緊密，必須嚴防驅動脈沖的電平在一個像元的驅動期間發生倒轉或變化，才能保證光敏區產生的電荷包的正常轉移和讀出。在設計過程中，將主頻進行十二分頻后形成的CLK-S脈沖作為串行、并行轉移驅動脈沖之間的主要聯系，并且非常巧妙地利用了CLK-S的最后一個狀態進行幀、并行、串行之間的無縫切換，保證了驅動脈沖電平的正常變化。
??? 原有驅動器是由TTL標準電路組成的，體積很大，并且電路噪聲較大；利用大規模可編程器件構成復雜的CCD驅動器，具有體積小、速度快的特點，可減少系統體積（線路板面積），能有效降低數字驅動電路產生的噪聲。本驅動器的快門控制功能可以有效防止圖像拖尾，并且行數和像元數的設置方法具有改變方便的特點，無需重新設計就可以適用于同一類型、不同陣列的CCD驅動，進一步的發展還可以為用單片機進行參數設置及功能擴展提供平臺。
參考文獻
1 王軍波，孫振國，陳 強等．高速CCD攝像機驅動時序發生器的設計及基于CPLD技術實現．光學技術，2002；3(2)：132～134
2 江孝國，祁雙喜，王婉麗等．CCD輸出信號的低噪聲處理電路研究[J]．光電子·激光，2001；12（11）：1126～1129