0 引 言

　　電荷耦合器件(CCD)是一種轉(zhuǎn)換式圖像傳感器,，是以電荷作為信號的MOS型半導(dǎo)體器件,。其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的MOS電容器，能夠存儲由入射光在CCD光敏單元激發(fā)而產(chǎn)生的電荷,，并且能在適當(dāng)?shù)臅r鐘脈沖驅(qū)動下,，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移，從而完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換,。CCD具有體積小,、質(zhì)量輕、功耗小,、工作電壓低和抗燒毀等特點,，在分辨率、動態(tài)范圍,、靈敏度等方面的優(yōu)越性也是很多其他器件無法比擬的,，目前CCD器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各種各樣的成像系統(tǒng)中，成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍的傳感器之一,。

　　電荷耦合器件不同于普通的MOS型半導(dǎo)體器件,，它需要在較復(fù)雜的驅(qū)動脈沖下才能正常工作。在CCD應(yīng)用技術(shù)中,，用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動時序的設(shè)計,，是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計的關(guān)鍵之一。產(chǎn)生驅(qū)動時序的方法多種多樣,，常用的有下面幾種：EPROM方法,、直接數(shù)字電路驅(qū)動方法、單片機,、專用IC等,，各有優(yōu)缺點。由于CPLD的集成度高，在速度和時序控制上具有較大的優(yōu)勢,，而且在電路設(shè)計完成后,，可以根據(jù)需要將CPLD邏輯重新編程，因此選用CPLD來設(shè)計CCD的驅(qū)動時序是一種不錯的選擇,。目前,，大多數(shù)CCD工作時序設(shè)計都是采用CPLD來實現(xiàn)和完成的。

　　1μPD795結(jié)構(gòu)原理及驅(qū)動時序

　　1．1 μPD795結(jié)構(gòu)原理

　　μPD795是NEC公司生產(chǎn)的高靈敏度,、低暗電流,、具有內(nèi)置放大電路和采樣保持電路的線陣CCD圖像傳感器。它內(nèi)部包含一列1 024像元的光敏二極管和兩列525位的電荷轉(zhuǎn)移寄存器,?？梢怨ぷ髟? V驅(qū)動(脈沖)和12 V電源條件下。同時μPD795具有出色的光電特性,，很高的轉(zhuǎn)移效率,，達到了99．996％。主要由三個模塊組成：表面積分單元,，用于產(chǎn)生電荷信號,；CCD移位寄存器，用于電荷信號轉(zhuǎn)移,；輸出放大器,，將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

　　結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,，封裝形式為20腳DIP。中間一排是由光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列,，有效單元為1 024位,，其作用是接收外界的光信號，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號,，光敏陣列兩側(cè)分別為轉(zhuǎn)移柵和電荷轉(zhuǎn)移寄存器,，在傳輸門時鐘信號φTGO的作用下，像元的光電信號分別轉(zhuǎn)移到位于其兩側(cè)的CCD轉(zhuǎn)移柵,。而后CCD的MOS電容中的電荷信號在φIO的作用下從輸出端口串行輸出,。

　　1．2 驅(qū)動時序分析

　　CCD器件需要三路以上的驅(qū)動時序脈沖。各驅(qū)動脈沖必須嚴(yán)格滿足相位時序要求,，才能保證CCD器件正常工作,。該芯片正常工作需要四路脈沖，分別為電荷轉(zhuǎn)移寄存器時鐘φIO,、復(fù)位時鐘φRO,、采樣保持時鐘φSHO以及傳輸門時鐘φTGO。他們之間的時序關(guān)系如圖2所示。

　　CCD的驅(qū)動時序是一組周期性且關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號,，它是影響CCD器件的信號處理能力,、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個重要因素,。常規(guī)的驅(qū)動電路設(shè)計有以下幾種方法：面陣CCD通常采用相應(yīng)的專用驅(qū)動IC,，但是難以調(diào)試，而且無法適應(yīng)于其他CCD器件,；線陣CCD可采用數(shù)字電路驅(qū)動,、單片機I／O口驅(qū)動，或者選用可編程邏輯器件針對特定器件的驅(qū)動時序要求完成驅(qū)動電路設(shè)計,。為了使CCD器件在各種光強信號下正常工作,，需要設(shè)置不同的積分時間和相應(yīng)的驅(qū)動脈沖，傳統(tǒng)的單一驅(qū)動脈沖無法滿足工作要求,，必須設(shè)計一種可提供多種驅(qū)動脈沖的電路,。

　　2 系統(tǒng)框圖

　　整個驅(qū)動電路系統(tǒng)可以分為四個部分；如圖3所示,，包括脈沖發(fā)生電路,、分頻電路、控制與分頻電路以及脈寬調(diào)制電路,。脈沖發(fā)生電路可由74LS00和7．5 MHz的晶振以及相應(yīng)的阻容電路組成,，該部分相對簡單，電阻和電容的數(shù)目也不多,。分頻電路可選用D觸發(fā)器／JK觸發(fā)器,，如 74LS(HC)74，74LS(HC)76,，均帶置位,、清零端，較易控制,；采用同步計數(shù)器74LS163實現(xiàn)邏輯功能,，該計數(shù)器為四位二進制可編程計數(shù)器。當(dāng)然也可以采用82C54(10MHz可編程),?？刂齐娐酚?mu;PD4011，μPD4012,，μPD4013以及74LS27組成,。μPD4011作為外部控制信號可以起到調(diào)整頻率的作用。脈寬調(diào)制電路由與非門,、或非門和帶有直接清零功能的二進制同步計數(shù)器組成,。

 　　3 驅(qū)動電路

　　CCD 圖像傳感器的驅(qū)動,。簡言之就是通過驅(qū)動電路產(chǎn)生CCD正常工作所需的特定脈沖。為了產(chǎn)生如圖2所示的各路驅(qū)動脈沖以及滿足傳感器的小型化和工作速度的要求,。采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)其邏輯功能是一個較好的選擇,。CPLD是基于乘積項結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)各種邏輯運算．全硬件結(jié)構(gòu),，具有極大的靈活性和通用性,，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷,，開發(fā)效率高,，成本低，上市時間短,，技術(shù)維護簡單,，工作可靠性好等優(yōu)點。在該設(shè)計中,，μPD795所需的驅(qū)動脈沖是在 Max+PlusⅡ環(huán)境下完成設(shè)計并編譯,、校驗后在線下載到CPLD器件內(nèi)部，實現(xiàn)邏輯功能,。實際的驅(qū)動電路的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,。該例中的驅(qū)動電路并不復(fù)雜，所用的器件也有限,。但若驅(qū)動脈沖種數(shù)繼續(xù)增加,，則電路的復(fù)雜程度也要成比例增加。該設(shè)計中采用EPM7064SLC44-7,，該芯片由64個宏單元組成,，是Altera公司生產(chǎn)的MAX7000S系列中芯片的一種，可以實現(xiàn)在線編程,。在Max+PlusⅡ環(huán)境下進行了仿真,，得到了滿意的結(jié)果后進行了硬件設(shè)計。

　　4 實驗結(jié)果

　　對制作PCB板用示波器和邏輯分析儀進行了測試,，測量檔位為2 μs，測量CCD驅(qū)動波形φIO,，φRO,，φSHO如圖5所示?？v坐標(biāo)中低電平為0 V,，高電平為5 V。

　　5 結(jié) 語

　　時序電路中的CPLD,，除提供CCD正常工作所需的時序外,，還保留了部分引腳和功能模塊,，可以作為增加某些新功能的需要。從該驅(qū)動電路與信號處理單元及上位機和顯示器構(gòu)成的完整線陣CCD相機系統(tǒng),，以及從實測波形數(shù)據(jù)來看,。該驅(qū)動電路在實際使用中穩(wěn)定可靠，達到了設(shè)計前的要求,，這說明用CPLD構(gòu)成線陣 CCD相機驅(qū)動電路是一種切實可行的方案,。