基于CPLD的全帧型CCD图像传感器驱动系统设计 高姿态, 传感器, 半导体, 航天器, 准确度

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　0 引 言　　电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。作为一种新型的MOS器件，与普通MOS器件相比，具有集成度更高、功耗更低、设计更简单、制造工序更少等优点。随着航天技术的发展，在航天器高姿态和高准确度测量、空间遥感和对地观测等领域中，性能优越的CCD相机越来越多地得到了应用。
　　在此，将CCD应用于数字航测相机中。数字航测相机是基于数字相机的基本原理，将图像以数字信息的形式存储、转移，并与地面实现通信。CCD图像传感器是相机的眼睛，它对相机的性能起到非常关键的作用，因此，实现电子扫描功能的CCD驱动电路是数字航测相机系统设计的关键。
　　DALSA公司的FTF4052M 22M Full－Frame型CCD是一款全帧型CCD图像传感器。这里在分析该器件的工作过程中，以及对驱动信号的要求后，采用了基于可编程逻辑器件(CPLD)技术，将CCD驱动电路集成在一块芯片上，实现了CCD图像传感器的驱动电路，并且结合Ahera公司的EPM7160SLC84－10完成了硬件电路的设计。
　　1 全帧型CCD驱动时序发生器原理
　　1．1 FTF4052M芯片介绍
　　FTF4052M是22兆像素(4 008 pixel×5 334 pix－e1)的超大分辨率全帧CCD图像传感器，其内部结构如图1所示。

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　　其主要特性如下：
　　(1)36 mm×48 mm的光敏面；
　　(2)优异的抗光晕性能；
　　(3)22兆有效像素(8H×5 344 V)；
　　(4)可实现垂直子采样；
　　(5)高的线性动态范围(>72 dB)；
　　(6)数据传输率高达27 MHz；
　　(7)可实现单路，双路和四路同时输出。
　　该芯片在结构上分为3部分，中间最大的区域为光敏区，即光积分区域；上下两部分为两个输出寄存器。将光积分生成的电荷水平转移到4个角的输出放大器，输出放大器将光生电荷形成的电压信号放大并转移出CCD。
　　C1，C2，c3为水平像素转移寄存器的时钟信号。A1，A2，A3，A4为垂直行驱动时钟信号。TG是光敏区与输出寄存器之间的隔栅；OG是输出栅；sG是输出栅之前的最后一个栅；RG是输出放大器。该芯片的最大特点是将光敏区生成的图像分成W，X，Y，Z四个对称的象限，每个象限的电荷可以以不同的方向转移，通过四个输出端同时输出，有效地提高了帧速率，单端输出的帧速率为1帧／s，而四端同时输出就可以达到3．6帧／s。
　　1．2 帧转移时序分析
　　CCD的整个帧转移时序如图2所示，主要分为3个阶段，而且这三个阶段是周期进行的。在此，把空闲模式阶段定义为第一阶段，在CCD芯片空闲模式下，A时钟信号全部保持低电平。空闲模式后，CCD芯片开始进入第二阶段，即光积分阶段。

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　　如图2所示，SSC为系统内部基准时钟信号，用于校准整个CCD的时序。VA high是控制四组A时钟的高低电平转换信号；TG信号的相位和频率与A1完全一致。由于CCD芯片FTF4052M发球全帧CCD芯片，光敏面占CCD面积的大部分，为了得到100%的污染点图像，必须加上机械快门。它的开启由Trig-in信号完成。当Trig-in信号上升沿到来时，触发快门使之进行开启动作，CcD准备进行光积分。在Trig-in信号上升沿之后，当基准时钟信号SSC的第一个上升沿到来时，产生脉冲宽度为190.6 ps的信号CR，用于对CCD进行初始化。当CR脉冲到下降沿时，快门彻底打开，ccD正式进入光积分阶段。A1继续保持低电平；A2，A3，A4上升为高电平。因为CCD芯片中的每个像素都可以看作是由四个栅极(每个栅极连接一相时钟信号)“覆盖”的，而且像素之间必须分离开，水平方向上可以通过沟道隔离像素。为了将像素与像素在垂直方向上隔离开，必须将四个栅极中的某一个栅极电压变为零。在该系统应用中，将A1保持低电平，以起到像素隔离的作用。然而光生电荷在保持高电平的A2，A3，A4栅极下积聚起来，形成信号电荷包。
　　光积分结束后进人第三阶段，即帧转移阶段，而帧转移又可以看成是垂直行转移和水平像素转移交替进行的，它们之间的转换通过SSC电平的高低转换实现。
　　SSC上升沿的到来标志着一次水平像素转移的结束和一次垂直行转移的开始，CCD像素垂直方向的行转移是由A1，A2，A3，A4等时钟及像素传输门TG时钟来完成的，其频率都为50 kHz，且四相A时钟信号要满足严格的交迭原理。在SSC保持高电平时，如图3所示，光敏区里已经生成的电荷包在四相A时钟信号的驱动下逐行地向上和向下转移到输出寄存器。

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