0 导言
自从CCD(电荷耦合器材)呈现以来，因为其分辨率高、灵敏度高、噪声小、体积小、重量轻、牢靠性高级长处，得到了很快的开展，现在已广泛运用于印象传感、卫星监控、空间遥感成像和对地观测等很多范畴。关于一个CCD相机体系而言，其中心器材CCD传感器的功用直接影响整个相机体系的功用，而保证其发挥优秀的规划难点在于高牢靠性的驱动、偏置等与图画收集电路相关的规划，这给规划者带来了很大的费事。因而，规划出安稳牢靠的CCD图画收集电路是保证CCD传感器甚至CCD相机体系正常发挥其功用的重要条件。
1 CCD相机图画收集电路结构
CCD相机图画收集电路结构如图1所示。CCD传感器接纳前端光学体系的成像，偏压电路为CCD传感器供给必需的偏置电压，可编程逻辑器材发生的时序脉冲经过驱动电路对CCD进行操控收集，输出维护电路可对CCD进行有用地防护维护，预处理电路对CCD输出的带噪模拟信号进行处理后便于后续电路运用。
2 CCD传感器的选用
CCD传感器分为面阵CCD传感器和线阵CCD传感器。线阵CCD所需求的驱动时钟较少，驱动电路规划相对简略，面阵CCD所需求的驱动时钟较多，时序较为杂乱，驱动电路规划也相对较难。这儿咱们挑选DALSA公司的一款帧搬运型面阵CCD1010M，因其具有杰出的抗辐射规划，是航空、航天运用中抱负的图画传感器，而且其分辨率为1024×1024，还具有杰出的抗光晕功用，信号输出噪声低、动态规模大、100％光学填充功率、电荷搬运功率高级特色，满意项目需求。它具有的多针相工艺(MPP)还能保证它在低照度下进行作业，经过延伸曝光时刻来记载十分弱的信号。这款CCD有四相感光区和存储区电极，三相水平读出移位寄存器电极，还有一个输出放大器。输出方法有双路输出和单路输出两种，单通道输出单色逐行扫描图画速度可达30帧／s，而且动态规模大于72dB，功用较为优异。
2．1 FTT1010M结构
FTT1010M的内部结构如图2所示。
FTT1010M由感光区和存储区构成，感光区和存储区都由1072H×1030V个像素组成。在感光区中，每个像素单元在笔直方向上能够看作是被四相栅极时钟A1、A2、A3、A4掩盖的彼此连接的四个MOS电容器一起组成，它们作为感光区帧搬运操控时钟。在1024个有用像素行的上面别离散布着6个黑行(Black Lines)，黑行其实便是被遮盖的不参与光积分的像素行；在水平方向上，每行1072个像素中的有用像素(Active Pixels)为1024个，两头散布着2×20个黑像素(Black Pixels)和2×4个过渡像素(Overscan Pixels)，黑像素与黑行相同也是被遮盖的像素单元，这些单元都不参与光积分，没有光电荷包发生，其首要效果是对CCD的输出视频信号进行预处理时起参阅黑电平效果。过渡像素单元的效果首要是在有用像素单元与黑像素单元之间起过渡效果。在存储区中，每个像素单元在笔直方向上能够看作是被四相栅极时钟B1、B2、B3、B4掩盖的彼此连接的四个MOS电容器一起组成，它们作为存储区行搬运时钟。在存储区水平方向上散布着两个串行输出移位寄存器(Output Register)，寄存器内部并没有感光单元，只要用来传输搬运感光电荷包的遮盖的搬运单元，每个单元相当于被三相时钟C1、C2、C3掩盖，这些单元都和存储区的像素单元彼此联接对应。其首要效果是将输出放大器连接到水平输出移位寄存器上。
2．2 FTT1010M时序规划
FTT1010M图画传感器的作业时序能够分为帧搬运时序(Frame timing)，行搬运时序(Line timing)和像素读出时序(Pixel timing)。帧搬运时序指CCD将一帧图画搬运输出的时序，行搬运时序指一行像素在时钟的驱动下完结从存储区到水平移位寄存器搬运的时序，像素读出时序指在一行像素在C时钟驱动下从水平移位寄存器中逐位水平读出的时序。
FTT1010M的作业进程可分为两个阶段：感光阶段和搬运阶段。在感光阶段，图画传感器感光阵列进行电荷堆集，存储区进行向水平移位寄存器的电荷搬运和水平移位寄存器向输出放大器的电荷输出；在搬运阶段，图画传感器首要完结所堆集的电荷由感光阵列向存储区的搬运。FTT1010M的帧时序如图3所示。
在感光阶段，感光阵列在外界光源的照射下发生电荷，此阶段帧搬运操控信号A1、A2、A3、A4不发生改变，感光区和存储区之间为阻断态，电荷不发生搬运；而存储区在此阶段处于行搬运状况并将电荷进行输出，行搬运的进程分为行正程和行逆程两个阶段。内行逆程阶段，SSC为高电平，存储区内各像素单元的电荷内行搬运信号B1、B2、B3、B4的操控下向水平移位寄存器方向下移一行，像素搬运信号C1、C2、C3不发生改变，图画传感器无像素电荷输出。FTT1010M行搬运时序如图4所示。
内行正程阶段，SSC为低电平，行搬运信号B1、B2、B3、B4不发生改变，水平移位寄存器中的像素电荷在像素搬运信号C1、C2、C3的操控下逐次经过输出放大器输出，每输出一行信号后，进行一次行搬运。FTT1010M像素读出时序如图5所示。
在搬运阶段，帧搬运操控信号A1、A2、A3、A4与行搬运操控信号B1、B2、B3、B4一起效果，交叠改变，将感光区堆集的电荷逐行搬运到存储区，而在这段时问内像素搬运信号C1、C2、C3不起效果，不向外输出电荷。完结整个搬运阶段后，又再次进入感光阶段，如此循环往复来保证图画传感器的作业。FTT1010M帧搬运时序如图6所示。
3 CCD偏置电压电路
若要使CCD图画传感器芯片正常作业，就需求向CCD供给使其正常作业所需的偏置电压。FTT1010M所需的偏置电压有VNS、VPS、SFD、RD、OG等，它们的参数如图7所示。规划时，作者选用的电压转化计划是运用低纹波的转化芯片调配转化电路，VNS(24V)由外接28V电压经过DC／DC变换器LT3060得出，SFD由VNS经过电平转化电路得出，VPS、RD与OG由SFD的分压引出。
4 CCD驱动电路
FTT1010M作业时所需的各种脉冲信号的电压如图8所示。
A、B驱动时钟的低位电平为0V，由图8能够看到，在感光阶段，A、B驱动时钟的高位电平为+10V，搬运阶段时，A、B驱动时钟的高位电平为+14V。这儿我选用EL7156来完成高位电平之间的转化，选用EL7457来完成低位到高位电平的转化。水平读出时钟C需求的低电平不是0V而是3．5V，高电平为8．5V，而FPGA给出的时钟脉冲是低电平为零，高电平为3．3V的脉冲。因而，需求将FPGA发生的时钟经过驱动芯片SN74ALVC164245DGGR进行驱动，使时钟C的幅值到达5V，然后再经过箝位电路的耦合效果来进步脉冲电平，把脉冲说到需求的起伏。SG、RG的发生进程与时钟C的发生进程相似，不同的是其幅值要求为10V。
各种驱动脉冲信号的起伏调整电路如图9所示。
5 CCD输出维护电路
CCD传感器是一种MOS器材，操作不妥就很简单遭到静电损坏，在电路规划时应在其外围电路加上箝位、限流电路以保证加在CCD上的每一个偏置电压和驱动脉冲遭到电流维护，在输入到FTT1010M之前应该经过一个电容来解耦，而且这些解耦%&&&&&%应该与图画传感器引脚越近越好。FT T1010M的输出端为开源输出，应该在其输出端上接一个电流源做负载，或接一个电阻到地上。在输出上加一个射极跟从的高频三极管，以阻挠输出因容性负载而引起的带宽约束。除此以外，射极跟从器加在输出端还能够避免示波器的探头对FTT1010M形成的静电损坏。CCD输出维护电路如图10所示。
6 CCD输出预处理电路
在CCD成像体系中，噪声是约束有用分辨率的最首要要素。CCD输出的信号是具有各种噪声的模拟信号，有必要经过预处理，尽可能地消除噪声和各种搅扰才能给后续电路运用。为了便于计算机处理，还需求对CCD输出的信号进行A／D转化。预处理进程大体如图11所示。
依据预处理的要求，咱们选用了一个高集成度的CCD信号处理专用芯片AD9978，它具有双通道输出才能，且具有14位的A／D转化精度，转化频率可达65MHz，其内部集成了相关双采样、可变增益操控、黑电平箝位电路以及高精度时序发生体系。咱们运用相关双采样处理单元，经过两次采样消除不期望的噪声重量，第一次采样坐落复位周期完毕后，第2次采样坐落信号的信息段，两次采样的差便是不含噪声的信号。随后，为了习惯不同亮度的方针，避免CCD信号过弱或饱满，咱们运用其内的增益操控处理单元来操控信号的增益，最终再经过A／D转化送给后边的可编程逻辑单元进行处理。规划时还要留意使其转化速率与CCD输出像素时钟保持一致。
7 完毕语
本文论述了星载CCD相机图画收集电路的规划与完成，经项目验证标明这些规划能很好地为CCD供给各类偏置电压、驱动脉冲以及电路维护等，它们保证了CCD图画传感器的图画质量，使得CCD相机成像体系具有高功用和高牢靠性，具有极高的运用价值。
