中北大学信息商务学院2013届毕业论文
电路和前置放大电路构成。它的脉冲信息是由ΦM、ΦCCD、ΦSH驱动的。
图3.2 TCD132D结构原理图
由以上分析可知，TCD132D是由三相时序脉冲驱动，分别为ΦM、ΦCCD、ΦSH。在三相结构的CCD中，由三个电极组成一个单元，形成一个像素。三个不同的驱动脉冲，按图3.4所示的时序共同工作，形成能够使TCD132D正常工作的空间电荷区的相对时序，以驱动CCD正常工作
图3.3 TCD132D的引脚示意图
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图3.4 TCD132D驱动脉冲示意图
如图3.4所示，从图可以看出对TCD132D对驱动时序波形的要求： (1)ΦCCD为ΦM的四分频信号； (2)ΦM、ΦCCD、ΦSH幅度一致； (3)矩形边缘陡峭； (4)ΦM占空比为50%；
(5)ΦSH至少包含2182个ΦM周期； (6)ΦM要满足一定的频率要求。 3.2.2 CCD驱动时序电路的工作过程分析
驱动电路的作用是给CCD提供正常工作所需要的逻辑时序脉冲和偏置工作电压，并在CCD的输出端把光电转换得到的电荷量转变成电压量输出。只有在驱动控制脉冲与CCD良好配合工作情况下，CCD才能充分发挥其光电转换、电荷存储和电荷转移等的功能。因此设计符合CCD正常工作要求的时序脉冲和驱动控制电路，才能使得CCD正常稳定的工作。驱动脉冲信号的波形、相位、前后沿时间等，对器件工作的好坏影响很大。
一般情况下，加在CCD各管脚上的电压有两种：一种是直流电压，其伏值范围为几伏到十几伏；另一种是具有一定幅度的逻辑脉冲电压，对于三相结构的CCD而言，一般包括光积分控制脉冲，输出控制脉冲和电荷转移脉冲。
TCDl32D的驱动脉冲时序如图3.4所示。当SH由高变低时，sout端开始输出信号。其
工作原理为：当光积分脉冲SH高电平时，电荷转移脉冲ΦCCD必须为高电平，而且
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必须保证SH的下降沿落在中CCD的低电平上，以此来保证光敏区的信号电荷通过转移栅转移到模拟移位寄存器的势阱中。完成信号电荷转移后，SH变为低电平，光敏区势阱与模拟移位寄存器势阱被隔离开。光敏区进入光积分状态，而模拟移位寄存器在电荷转移脉冲ΦCCD和主时钟脉冲ΦM脉冲的作用下，将转移到模拟移位寄存器的信号电荷向左转移，并经TCDl32D内部的信号处理电路由sout电极输出。
图3.5 CCD外围电路的设计
由于TCDl32D在内部自带了脉冲产生电路及CCD驱动器，时序脉冲驱动电路则需要提供三路信号脉冲，即光积分脉冲SH、电荷转移脉冲ΦCCD和CCD的主时钟脉冲ΦM。本设计中，系统工作频率为20MHz，TCD132D的工作频率为500kHz，数据输出速率为1MHz。其外围电路设计如图3.5。
3.2.3 TCD132D驱动时序电路的设计
系统选用了ALTERA公司的MAX3000S系列的EPM3256-10ns芯片，并且采用MAX+PLUSⅡ开发系统实现编程。它功能强大,可以生成图形文件,文本文件，波形文件，同时支持层次设计和从顶至底的设计方法及支持VHDL语言，可以编译并形成各种能够下
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载到各种CPLD器件的文件,还可以进行仿真以检验设计的可行性。
本文中的设计采用层次设计输入方式，全部的CPLD电路模块设计见附录2。在此介绍CCD驱动时序电路设计。驱动电路的顶层模块设计如图3.6所示，CCD通用驱动电路设计的关键在于区分各种不同频率的驱动时序。驱动脉冲有两个参数描述：（1）脉冲宽度(包括高电平宽度和低电平宽度)；（2）相位差(各个驱动脉冲之间的相位关系)。本设计采用的方法是：根据TCD132D器件的驱动脉冲信号，编制每一路驱动脉冲文件，其中包括脉冲总数、延迟时间、脉冲宽度等三种参数。将驱动时序中的每一路脉冲的宽度依次写入驱动文件。主控制器读取驱动脉冲文件的相关参数,并设定好相应的寄存器组,就可以按照驱动文件的要求产生驱动脉冲。所以驱动电路的基本组成包括主控制器、存储器、寄存器组三个部分。其实现的功能就是将20M的晶振进行分频设计，从而得到TCD132D三路不同频率的驱动脉冲。图3.6是CPLD中分频模块的设计。
图3.6 分频模块
利用MAX+plusⅡ软件进行仿真。产生了如图3.7所示的各种脉冲。从仿真结果可看到，这路驱动脉冲间的时序关系完全符合线阵CCD器件TCD132D的驱动要求。将源程序编译后下载到EPM3256芯片中，并对实际电路进行测量，得到了与仿真结果完全相同的驱动脉冲，表明了该驱动时序设计方法完全可行。
图3.7 分频模块仿真示意图
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3.2.4 CCD光积分时间控制电路
为了调节CCD对光线的适应能力,避免CCD输出信号过高,导致输出饱和失真或输出信号过低,使得景物与背景模糊,因而需要调节CCD的光积分时间,以确保CCD输出信号在一定范围之内。在相邻两个SH之间的时间即为实际的积分时间。
TCD132D扫描一行至少需要1091个时钟周期，又因为该器件是双沟道设计，所以在一个积分周期内应至少要有545个ΦCCD脉冲。在实际设计中光积分脉冲SH周期应大于545个ΦCCD脉冲，在本设计中光积分脉冲SH周期是可以根据不同的要求来调节，改变ΦCCD频率或增加光积分周期内的ΦCCD脉冲数就可以改变光积分脉冲SH周期。
Sout端首先输出54个虚设单元的信号(所谓虚设单元的信号是指没有光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分)，然后再输出7个哑元信号(哑元信号是指被遮蔽的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号)，再输出3个信号(这3个信号因光的斜射而产生电荷信号的输出，但这3个信号不能作为信号电荷来处理)，然后才输出S1到S1024的有效像元信号。有效像元信号输出后，再输出3个哑元信号。以后便是空驱动，空驱动的数目可以是任意的，我们可以通过改变空驱动数目来改变CCD的积分时间。
3.3 A/D转换模块的设计
A/D转换模块的主要作用就是对CCD输出信号进行处理,其中主要包括信号调理和A/D转换两部分。信号调理是为了消除噪声干扰，改善图像的质量,保证在CCD动态范围内图像信号随被测目标亮度呈线性变化；A/D转换的目的则完成对CCD输出信号Sout的数字化,以便下一步进行软件处理。 3.3.1 数据放大电路的设计
信号预处理电路由箝位电路、采样/保持电路和放大器组成。
CCD输出的有效信号Sout是含有经过光积分的有效光电信号,而补偿信号DOS则反映了CCD器件的暗电流特性,也反映了CCD在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干扰。可以利用差分放大器完成信号的放大与抑制共模干扰作用。另一方面,两路输出信号在差动放大之前,使其经过完全相同的PNP型三极管射极电路输出,以起到隔离和保护
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