【文章內(nèi)容簡介】 極上，電極下的電荷包就沿半導(dǎo)體表面按一定方向轉(zhuǎn)移到輸出端，實(shí)現(xiàn)圖像的自掃描，從而將照射在 CCD 上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號圖像，直接顯示圖像全貌。圖 32 是線陣 CCD 的結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出器件主要有光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移區(qū)、輸出單元這三部分組成。光敏區(qū)由 N 個光敏元排成一列，光敏單元始終進(jìn)行光積分，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵加高電平時，N 個光信號電荷包并行轉(zhuǎn)移到所對應(yīng)的那位 CCD 中，然后，轉(zhuǎn)移柵加低電平，轉(zhuǎn)移中斷，進(jìn)行下一行積分。N 個電荷包依次沿著 CCD 串行傳輸，每驅(qū)動一個周期，各信號電荷包向輸出端方向轉(zhuǎn)移一位，第一個驅(qū)動周期輸出第一個光敏元信號電荷包。第二個驅(qū)動周期輸出第二個光敏元信號電荷包，依次類推，第N 個驅(qū)動周期輸出第 N 個光敏元信號電荷包。當(dāng)一行的 N 個信號全部讀完，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，使轉(zhuǎn)移柵變?yōu)楦唠娖?，將新一行?N 個光信號電荷包并行轉(zhuǎn)移到 CCD中，開始新一行信號傳輸和讀出，周而復(fù)始。圖 32 線陣 CCD 結(jié)構(gòu)圖 CCD 的主要特性參數(shù)轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 η是指電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，即電荷包從一個柵轉(zhuǎn)移到下一個柵時，有 η部分的電荷轉(zhuǎn)移過去，余下 e 部分沒有被轉(zhuǎn)移，e 稱轉(zhuǎn)移損失率，根據(jù)電荷守恒原理有： η=1－e ()由定義可知，一個電荷量為 的電荷包，經(jīng)過 n 次轉(zhuǎn)以后的輸出電荷量應(yīng)為:0Q西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文10 ()0nQ??即總效率為: ()0/nn由于 CCD 中的信號電荷包大都要經(jīng)歷成百上千次的轉(zhuǎn)移，即使 η 值幾乎接近1，但其總效率往往仍然很低。暗電流CCD 成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，CCD 中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害主要有兩個方面，即限制器件的低頻限和引起固定圖像噪聲。靈敏度指在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量的輸出信號電壓(電流)。曝光量是指光強(qiáng)與光照時間之積，也相當(dāng)于投射到光敏元上的單位輻射功率所產(chǎn)生的電壓(電流)，其單位為 V/W（A/W） 。CCD 的光譜響應(yīng)基本上由光敏元材料決定，也與光敏元結(jié)構(gòu)尺寸差異、電極材料和器件轉(zhuǎn)移效率不均勻等因素有關(guān)。光譜響應(yīng)CCD 對不同波長的光的響應(yīng)程度是不一樣的。例如，CCD 對藍(lán)光的響應(yīng)是比較差的，這是因?yàn)樵诙嗑Ч柚兴{(lán)光被吸收的比較厲害，以及在多晶硅—氧化物—硅等層中引起的多層干涉的結(jié)果。通常把響應(yīng)度等于峰值響應(yīng)的一半所對應(yīng)的波長范圍稱為光譜響應(yīng)范圍。普通 CCD 的光譜響應(yīng)范圍為 400～1100nm。噪聲CCD 的噪聲可歸納為三類:散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。(1) 散粒噪聲在 CCD 中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。這種噪聲常被稱為散粒噪聲，它與頻率無關(guān)，是一種白噪聲。散粒噪聲代表著器件最高信噪比的極限，片外的信號處理電路不能對此噪聲進(jìn)行抑制。(2) 轉(zhuǎn)移噪聲轉(zhuǎn)移噪聲主要是由轉(zhuǎn)移損失及表面態(tài)俘獲引起的噪聲，這種噪聲具有累積性和相關(guān)性。累積性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過程中逐次累積起來的，與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文11相關(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的，因?yàn)殡姾砂谵D(zhuǎn)移過程中，每當(dāng)有一過量△Q 電荷轉(zhuǎn)移到下一勢阱時，必然在原來勢阱中留下一減量 △Q 電荷，這份減量電荷疊加到下一個電荷包中，所以電荷包每次轉(zhuǎn)移要引起兩份噪聲。這兩份噪聲分別于前、后相鄰周期的電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲相關(guān)。(3) 熱噪聲熱噪聲是由于固體中載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動引起的，在 OK 以上，無論其中有無外加電流通過，都有熱噪聲，對信號電荷注入及輸出影響最大，它相當(dāng)于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和。以上 3 種噪聲源是獨(dú)立無關(guān)的，所以 CCD 得總噪聲功率是它們的均方和。在CCD 圖像數(shù)據(jù)采集過程中，要盡可能的得到精確的 CCD 信號，且最大程度的降低CCD 的噪聲，提高信噪比。降低噪聲的主要方法有 :采用相關(guān)雙采樣 CDS(Correlated Double Sampling)技術(shù)、雙斜積分法、小波變換校正法、提高 CCD 工作頻率、帶通濾波器法、制冷方法等。本系統(tǒng)采用了基于數(shù)字技術(shù)的相關(guān)雙采樣方法對噪聲進(jìn)行抑制。分辨率分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它表明 CCD 成像器件對景物細(xì)節(jié)的鑒別能力。通常用每毫米能分辨的線對數(shù)表示，即 lp/mm。有時也用可分辨的最小尺寸表示，它是可分辨的空間頻率的倒數(shù)。例如一個 CCD 能分辨的最大空間頻率為20lp/mm，則可分辨的最小尺寸為 。分辨率與 CCD 器件的像素尺寸有直接關(guān)系，像素尺寸越小，分辨率越高。通常可分辨的最小尺寸約為像素尺寸的 2 倍。目前 CCD 的像素尺寸為 6～14um，可分辨的最小尺寸為 ～ ，對應(yīng)的線對數(shù)為 85～35lp/mm。 CCD 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)CCD 是圖像采集系統(tǒng)的核心，在應(yīng)用 CCD 圖像傳感器時，需要解決的問題主要有兩個，即產(chǎn)生正確的脈沖時序驅(qū)動 CCD 器件和輸出信號的采集處理。為了保證CCD 圖像傳感器正確穩(wěn)定的工作并充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換功能，必須設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生符合 CCD 器件工作所需時序的驅(qū)動控制電路。系統(tǒng)利用先進(jìn)的 FPGA 技術(shù)產(chǎn)生高速穩(wěn)定的 CCD 驅(qū)動時序，具體的程序?qū)崿F(xiàn)部分將在第四章詳細(xì)介紹。TCD1501D 芯片基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選用了日本東芝公司生產(chǎn)的 TCD1501D 線陣 CCD 圖像傳感器，它是一款西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12高速、低暗電流的 5000 像元線陣 CCD 器件。芯片封裝形式為 DIP22 雙列直插式，TCD1501D 的管腳分部和結(jié)構(gòu)如圖 33 所示，表 31 為引腳名稱說明。 表 31 TCD1501D 引腳說明 圖 33 TCD1501D 管腳圖 圖 34 所示為 TCD1501D 原理結(jié)構(gòu)圖，由圖可知， TCD1501D 由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器及信號輸出單元組成。該傳感器內(nèi)部包含一列 5076 個光敏二極管，前面 64 個和后面 12 個是作暗電流檢測而被遮蔽的，中間 5000 個光電二極管是曝光像敏單元。當(dāng)掃描一張 A3 的圖紙時可達(dá)到 16 線/mm 的精度，該器件工作在5V 驅(qū)動脈沖，12V 的電源條件下。φ1E、O 電荷轉(zhuǎn)移脈沖φ2E、O 電荷轉(zhuǎn)移脈沖φ1B 末級時鐘φ2B 末級時鐘SH 幀轉(zhuǎn)移脈沖RS 復(fù)位脈沖SP 采樣保持脈沖CP 鉗位脈沖OS 信號輸出DOS 補(bǔ)償信號輸出SS 地OD 電源NC 未連接西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文13圖 34 TCD1501D 結(jié)構(gòu)圖TCD1501D 的光譜響應(yīng)特性曲線如圖 35 所示。光譜響應(yīng)范圍從 400nm 到 1100nm，峰值對應(yīng)的波長為 550nm。圖 35 光譜響應(yīng)曲線TCD1501D 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)由于 TCD1501D 的時序邏輯是通過 FPGA 發(fā)出信號驅(qū)動的，F(xiàn)PGA 的引腳為CMOS 電平標(biāo)準(zhǔn)，而 TCD1501D 所需的驅(qū)動信號為 TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)，但 CMOS 電路的驅(qū)動電流較小，不能夠直接驅(qū)動 TTL 電路，所以需要對 FPGA 輸出的 CCD 驅(qū)動信號進(jìn)行電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中使用 74LVC16245 實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的功能，它是16 位高速 CMOS 雙向線驅(qū)動器，采用單電源供電方式，可以增強(qiáng)電流驅(qū)動能力，工作頻率可達(dá) 40MHZ。由于 74LVC16245 輸入高電平的最小值為 2V，輸出高電平為5V，所以利用它達(dá)到了驅(qū)動 TCD1501D 所需高電平電壓值的作用。其工作方式如表 所示。表 74LVC16245 工作狀態(tài)表控制輸入端OE DIR工作方式L L B 端輸入，A 端輸出L H A 端輸入，B 端輸出H X 隔離狀態(tài)本設(shè)計(jì)設(shè)定 VCC 為 ，OE 和 DIR 同設(shè)為低電位，這樣 74LVC16245 工作模式為 B 端輸入， A 端輸出。圖 36 所示為系統(tǒng)的 CCD 驅(qū)動電路硬件原理圖。該電路提供了 TCD1501D 正常工作所需的全部驅(qū)動信號以及 12V 的電源接口。由于 74LVC16245 可以同時驅(qū)動兩片 TCD1501D，所以這里設(shè)計(jì)了兩個接口 P1 和P2。圖中 CCDOD 和 CCDEV 為線陣 CCD 的采集到的圖像信號接收端，最終接到西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文14VSP5010 的 34 腳和 47 腳上。1DIRB23GN456VC7890OEALSPHveadr X_圖 36 CCD 驅(qū)動電路硬件設(shè)計(jì) AFE 電路設(shè)計(jì) AFE 功能分析AFE（Analog Front End） ，又稱模擬前端處理。CCD 圖像傳感器輸出的模擬圖像信號需要經(jīng)過信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，使之成為數(shù)字信號形式，這樣才能傳給后端處理器。AFE 的作用就是將 CCD 輸出的模擬圖像信號箝位和放大到 A/D 轉(zhuǎn)換器所需要的電平。模擬前端系統(tǒng)的工作將直接影響各類應(yīng)用采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍、分辨率、信噪比、線性度、速度等重要參數(shù)，它是提高系統(tǒng)采樣范圍及其采樣位數(shù)的基礎(chǔ)之一。一個完整的 AFE 處理器包括輸入箝位，相關(guān)雙采樣，程控增益放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。 VSP5010 簡介本設(shè)計(jì)摒棄了以分離采樣保持器結(jié)合運(yùn)放的方案，而采用眾多數(shù)碼相機(jī)的方案，用一塊專用的 AFE 芯片來完成信號放大、增益調(diào)節(jié)、相關(guān)雙采樣、及模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣的方案由于采用了單芯片設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)將具有更好的可靠性、穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中采用 TI 的 VSP5010 前端信號處理芯片。VSP5010 是一款面向 CCD 的完善的低功耗雙通道模擬信號處理器。它內(nèi)含最高 31MSPS 的相關(guān)雙采樣（CDS）電路、可編程增益放大器（DPGA） 、14 位精度的最高采樣率為 31MSPS 的 A/D 轉(zhuǎn)換器。VSP5010 可以工作在三種模式下，對 CCD 信號、模擬視頻信號和普通的交西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文15流信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)。VSP5010 以其高精度、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，以及它所具有的完善的性能結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、科學(xué)研究等領(lǐng)域的高精度圖像采集系統(tǒng)等。VSP5010 的引腳圖如圖 37 所示。圖 37 VSP5010 引腳圖VSP5010 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 38 所示。主要包含直流重建、相關(guān)雙采樣、輸入箝位、可編程增益放大器（DPGA） 、黑電平箝位、A/D 轉(zhuǎn)換器等模塊。下面將分別介紹，闡述 VSP5010 的工作原理。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文16圖 38 VSP5010 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖直流重建 直流重建的目的是實(shí)現(xiàn)直流電平箝位。由于 CCD 的輸出信號因?yàn)榘艘粋€較大的直流成分，這個直流量很容易造成放大器的飽和或者引起共模效應(yīng)。因此，CCD 的輸出信號往往不能直接加到后續(xù)放大器的輸入端。直流重建電路的功能是從信號中恢復(fù)出優(yōu)化的信號直流分量，即將疊加在 CCD 像素上的直流電平恢復(fù)到一個希望的值。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，將 CCD 輸出信號經(jīng)過一個 的耦合電容連接到 VSP5010 的 CCD 信號輸入引腳，在耦合電容端產(chǎn)生一個理想的直流偏置電壓，可以將 CCD 信號的直流電平箝位在 左右。相關(guān)雙采樣（CDS） 相關(guān)雙采樣（CDS）是根據(jù) CCD 輸出信號和噪聲信號的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，它能消除復(fù)位噪聲的干擾，對 1/f 噪聲和低頻噪聲也有抑制作用，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。由于 CCD 每個像元的輸出信號中既包含有光敏信號，也包含有復(fù)位脈沖電壓信號，若在光電信號的積分開始時刻和積分結(jié)束時刻，分別對輸出信號采樣（在一個信號輸出周期內(nèi)，產(chǎn)生兩個采樣脈沖，分別采樣輸出信號的兩個電平，即一次是對復(fù)位電平進(jìn)行采樣，另一次是對信號電平進(jìn)行采樣） ，并且使得兩次采樣時間之間的間隔遠(yuǎn)小于時間常數(shù) RC（R 為復(fù)位管的導(dǎo)通電阻） ，這樣兩次采樣的噪聲電壓相差無幾，兩次采樣的時間又是相關(guān)的。若將兩次采樣值相減，就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾，得到信號電平的實(shí)際有效幅值。輸入箝位 輸入箝位的目的是去除 CCD 的黑電平偏移。一些 CCD 信號有很大的黑電平偏移電壓，如果不及時將這個偏移量去除，將會對芯片內(nèi)部 DPGA 電路的可用放大空間有很大的影響。與其它模擬前端芯片的結(jié)構(gòu)不同，VSP5010 在 CCD 信號進(jìn)入芯片后就去除了這個偏移電平，這樣做有兩個好處：其一是減小對芯片采集通道中的黑電平箝位模塊的影響，其二是確保 DPGA 有更大的電壓放大的空間。可編程增益放大器（DPGA） VSP5010 提供了一個分辨率為 10 位、增益范圍為 0dB～24dB 的DPGA，DPGA 的增益系數(shù)由 SPI 串行總線對相應(yīng)寄存器的進(jìn)行配置，具體的DPGA 增益值公式為： Code Range Gain Equation(dB) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文17128～1024 Gain(dB)=20log (Code－128)/64 ()式（）中的 Code 為相應(yīng)寄存器的 10bit 數(shù)據(jù)值。VSP5