1、导言
电荷耦合器材（CCD.Charge（Couple Device）是20世纪60年代晚期呈现的新式半导体器材。现在跟着CCD器材功用不断提高。在图画传感、尺度丈量及定位测控等范畴的使用日益广泛.CCD使用的前端驱动电路本钱价格昂贵，而且功用指标遭到生产厂家技能和工艺水平的限制。给用户带来很大的不便利。CCD驱动器有两种：一种是在脉冲效果下CCD器材输出模仿信号，经后端增益调整电路进行电压或功率扩大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模仿量按必定的输出格局进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，一般的线阵CCD摄像机就指后者，外加机械扫描设备即可成像。所以依据不同使用范畴和技能指标要求。挑选不同类型的线阵CCD器材，规划便利灵敏的驱动电路与之匹配是CCD使用中的关键技能之一。
本文以TCD1501C型CCD图画传感器为例。介绍了其功用参数及外围驱动电路的规划。驱动时序参数能够经过VHDL程序灵敏设置。该电路已成功开发并使用于某型非触摸式方位丈量产品中。
2、CCD作业原理
CCD是以电荷作为信号，而不同于其他大大都器材是以电流或许电压为信号，其基本功用是信号电荷的 发生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时.CCD首要完结光电转化。即发生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的作业原理是被摄物体反射光线到CCD器材上.CCD依据光的强弱积累相应的电荷。发生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、扩大处理，经过驱动电路输出一个能表明灵敏物体光强弱的电信号或规范的视频信号。依据上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵CCD能够完结图画传感和尺度丈量的功用。图1为CCD光谱呼应曲线。
3、 驱动电路的完结
线阵CCD TCD1501C的首要技能指标如下：像敏单元数为5 000;像元尺度为7μm×7μm;像元中心距为7μm;像元总长为35 mm;光谱呼应规模为400 nm-1000 nm.光谱呼应峰值波长为550 nm，灵敏度为10.4 V/lx.s～15.6 V/lx.s。使CCD芯片正常作业的驱动电路首要有两大功用。一是发生CCD作业所需的多路时序脉冲。二是对CCD输出的原始模仿信号进行处理，包含增益扩大、差分信号到单端信号的转化。最终驱动器输出用户所需的模仿或视频信息。
3.1 依据VHDL的驱动时序规划
本部分规划是依据Xilinx公司的CPLD XC9572一PC44-10，在ISE6.1环境下开发完结的。CCD器材需求杂乱的三相或四相交叠驱动脉冲，大都面阵CCD都是三相或四相驱动，大都线阵CCD都是二相驱动。本文以二相线阵CCD图画传感器TCD1501C为例，完结了用CPLD完结的驱动电路规划。CCD为容性负载，作业频率高时有必定的功耗，因而需求对CPLD输出的复位脉冲RS、移位脉冲（又称光积分脉冲）SH、箝位脉冲CP、采保脉冲SP，以及二相时钟脉冲中Φ1E、Φ2E等各路驱动脉冲选用74HC14进行整形和驱动才能的扩大。然后再送至TCD1501C器材的相应输入端，在CCD的模仿信号输出端将得到信号0S和补偿信号DOS。TCD1501C典型的最佳作业频率是1MHz，该器材具有5 000个有用像元输出。TCDl501C正常作业时要有76个哑像元输出。一个扫描行周期内至少应包含有5 076个时钟脉冲，即TSH》5076×Φ1E 0.1μs，在本规划中TSH=5200×Φ1E。由此可见，改动时钟脉冲频率或添加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，能够改动光积分周期，一般Φ1E的频率设置为可调理的，这样能够依据CCD器材的实践使用环境灵敏运用CCD器材的长处以改动光积分时刻。只需条件答应，为下降CCD的电荷转移损失率。CCD驱动脉冲的频率应尽或许小。驱动脉冲的频率下降时，能够在示波器上观察到CCD输出信号幅值显着增强。图2所示为CCD作业波形。
下面是发生时序脉冲的VHDL程序：
3.2依据AD623的CCD输出信号差分驱动规划
CCD在驱动脉冲的效果下，经移位寄存器次序输出视频信号，复位脉冲RS每复位一次，CCD输出一个光脉冲信号。因为TCD1501C信号检测选用选通电荷积分器结构。使其视频输出信号中叠加了一些由周期性复位信号RS引起的串扰信号。而且有用信号幅值较小，约为500 mV。直流电压约有4.1V。这是一组典型的共模电压较高、有用差模信号较低的差分信号，信号波形如图3和图4所示。所以模仿信号输出在进行后续处理（包含长线传输、A/D转化等）之前要进行一系列预处理，消除视频信号中的复位脉冲串扰及其他搅扰，将弱小的视频信号进行幅值扩大及驱动才能的扩大。因为是对差分信号的处理，所以先讨论一下差分电路的基本概念。图5为差分信号丈量电路里差模和共模电压示意图，VDIFF是信号差模电压，VCM是信号共模电压，信号输出VOUT=R2/R1·VDIFF=G·VDIFF抱负状态下，一般差模增益G≥1，而共模增益（%mismatch/100）×G/（G+1）接近于零，因而能够看出共模增益首要是电阻不匹配的函数，在实践丈量电路中或许会因为电阻值的细小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比（CMRR）便是差模增益G与共模增益的比值。用对数方式表明：201g［（100/%mismatch）×（G+1）］。实践工程使用中，电路作业在一个很大的噪声源中。如50 Hz沟通电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些搅扰信号效果在差分输入端，将会在输出端发生一个共模信号，因而差分信号处理除了要求有高的DC CMRR.还要有高的AC CMRR。
在电路规划中选用了ADI公司的仪器外表扩大器AD623.内部结构原理如图6所示。
AD623集成了3路运放。可单电源或双电源作业，具有较高的CMRR和极低的电压漂移，除了一个操控可编程增益的外接电阻外，一切元件都集成在内部，提高了电路温度安稳度和牢靠性。使用AD623的CCD模仿信号处理电路如图7。将视频信号及其补偿输出别离送至AD623的反相和同相输入端。在AD623的输出端接一级射极跟从器以增强信号的驱动才能。选用该器材可消除选用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。
4、 结束语
依据上述开发的线阵CCD驱动器已调试成功。而且用于某方位丈量体系中，作业安稳牢靠。本规划方案只需再拓宽AD转化部分就能够使用于成像体系的前端。
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