【正文】 的時間，并通過主計(jì)數(shù)器得到感光階段判斷信號和轉(zhuǎn)移階段判斷信號；在內(nèi)循環(huán)中，用行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器計(jì)一行像元信號輸出所需要的時間，并通過感光階段判斷信號與行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器得到行正程判斷信號和行逆程判斷信號。整個程序是一個多進(jìn)程結(jié)構(gòu)，分別是主計(jì)數(shù)器進(jìn)程；行轉(zhuǎn)移計(jì)數(shù)器進(jìn)程；感光階段判斷信號進(jìn)程；轉(zhuǎn)移階段判斷信號進(jìn)程；行正程判斷信號進(jìn)程；行逆程判斷信號進(jìn)程；十三個輸出信號驅(qū)動時序產(chǎn)生進(jìn)程。在一行像元信號逐次經(jīng)過輸出放大器輸出的過程中，行正程與行逆程構(gòu)成了一個內(nèi)循環(huán)。程序首先在ENTITY內(nèi)定義時序發(fā)生器的兩個輸入端，即時鐘輸入(CLK)，復(fù)位信號(RESET)，十三個輸出端，即CCD驅(qū)動時序所要求的十三個輸出信號。該方法在原理圖設(shè)計(jì)階段就可以掌握電路正確與否，設(shè)計(jì)靈活，調(diào)試方便，提高了效率，節(jié)約了成本。通過前、后仿真，檢查錯誤，進(jìn)行邏輯綜合并選擇器件適配。復(fù)雜可編程邏輯器件包括邏輯陣列塊(LAB)、可編程宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng)(共享和并聯(lián))、可編程連線陣列、I/O控制塊五部分。因此，產(chǎn)生嚴(yán)格的CCD芯片驅(qū)動時序，是成功設(shè)計(jì)CCD圖像傳感系統(tǒng)的先決條件。為了保證CCD穩(wěn)定可靠的工作，必須設(shè)計(jì)出符合CCD正常工作所要求的驅(qū)動脈沖和控制電路。整體的循環(huán)過程構(gòu)成了系統(tǒng)的工作流程。其中，感光階段和轉(zhuǎn)移階段構(gòu)成了時序循環(huán)的外環(huán)，一次循環(huán)代表了一幀圖像從曝光到轉(zhuǎn)移的全部過程；感光階段存儲區(qū)的逐行轉(zhuǎn)移構(gòu)成了時序循環(huán)的中環(huán)，一次循環(huán)結(jié)束表明CCD感光階段結(jié)束；而在行轉(zhuǎn)移信號結(jié)束后，一行圖像的元素逐列輸出，構(gòu)成了時序循環(huán)的內(nèi)環(huán)，一個循環(huán)周期代表一幀圖像中一行像素的轉(zhuǎn)移。為保證信號電荷完整轉(zhuǎn)移，各相時序間也保持了一定的電平交疊。像元控制信號Cl、CC3無效，不輸出數(shù)據(jù)。在行逆程階段，幀存儲區(qū)各單元所存的信號電荷在行轉(zhuǎn)移信號BBBB4控制下向水平移位寄存器方向平移一行，像元控制信號Cl、CC3不變，無像元信號輸出；在行正程階段，水平移位寄存器中的像元電荷在像元控制信號Cl、CC3的控制下逐次經(jīng)過輸出放大器輸出，每讀出一行信號，進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移，對于10241024陣列的CCD芯片來說，至少需要1024個SSC時鐘脈沖完成一幀圖像的轉(zhuǎn)移，而每一個SSC低電平至少需要1072個Cl、CC3互補(bǔ)讀出時鐘脈沖完成一行圖像的讀取，同時為保證信號電荷完整轉(zhuǎn)移，各相時序間必須保證一定的電平交疊。 FTT1010M行轉(zhuǎn)移時序圖 FTT1010M水平移位寄存器像素轉(zhuǎn)移時序圖當(dāng)SSC為高位時，行轉(zhuǎn)移處在行逆程狀態(tài)。在感光階段，感光陣列接受外界光源照射產(chǎn)生電荷，幀轉(zhuǎn)移控制信號Al、AAA4不變，感光區(qū)和存儲區(qū)之間為阻斷態(tài)，沒有電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。感光階段實(shí)現(xiàn)感光陣列的電荷積累，存儲區(qū)到轉(zhuǎn)移寄存器的電荷轉(zhuǎn)移以及轉(zhuǎn)移寄存器向輸出放大器的電荷輸出。幀轉(zhuǎn)移時序指CCD將一幀圖像轉(zhuǎn)移輸出的時序，行轉(zhuǎn)移時序指一行像素在時鐘的驅(qū)動下完成從存儲區(qū)到水平移位寄存器轉(zhuǎn)移和逐位從水平移位寄存器讀出的時序，像素轉(zhuǎn)移時序指在一行像素在C時鐘驅(qū)動下從水平移位寄存器中逐位水平讀出的時序。CClock：水平移位寄存器驅(qū)動時鐘，有CCC3三個驅(qū)動時鐘，低位電壓大于+2V，電壓脈沖幅度范圍為+~+。AClock：成像區(qū)驅(qū)動時鐘，有AAAA4四個驅(qū)動時鐘，在感光階段高位電壓為+10V，轉(zhuǎn)移階段高位電壓為+14V。VPS(Voltage P Substrate)：連接到P摻雜基底(Pdoped substrate)上的直流電壓，電壓范圍為+1V~+7V。VRD(Voltage Reset Drain)：加到FTT1010M輸出放大器內(nèi)復(fù)位管(Reset fet)漏極上的直流復(fù)位電壓，其值等于CCD輸出信號的復(fù)位電壓水平，電壓范圍為+13V~+18V。為了使FTT1010M正常工作，需要為其提供一些偏置電壓和驅(qū)動時鐘，下面先介紹一下這些電壓與時鐘，并給出本設(shè)計(jì)所要求的數(shù)值：VNS(Voltage Nsubstrate)：加在FTT1010M的N型襯底上的電壓，電壓范圍為+18V~+28V，它可以用來控制CCD的高光行為(抗暈)，因?yàn)镃CD像素單元中的感光電荷包不僅要受到柵極電壓的影響，還要受到N襯底電壓的影響，所以它的取值很關(guān)鍵，當(dāng)VNS值較大時，CCD的抗暈?zāi)芰μ岣撸菚绊懙絼葳宓娘柡碗姾闪?，如果VNS值比較小，則勢阱飽和電荷量增加，動態(tài)范圍提高，但是抗暈?zāi)芰p弱，因此選取合適的VNS值對CCD的工作效果起到很重要的作用，可以根據(jù)需要來進(jìn)行調(diào)節(jié)，在兩者之間找到很好平衡點(diǎn)。在每個輸出寄存器的啞像素的最外端分布著兩個MOS單元，每個單元的柵極上分別加著求和柵SG(Summing Gate)和輸出柵OG(Output Gate)，OG是感光電荷包在進(jìn)入輸出放大器之前的最后一個柵。在存儲區(qū)水平方向上分布著兩個串行輸出移位寄存器(Output Register)，寄存器內(nèi)部并沒有感光單元，只有用來傳輸轉(zhuǎn)移感光電荷包的遮蔽的轉(zhuǎn)移單元，每個單元相當(dāng)于被三相時鐘CCC3覆蓋，這些單元都和存儲區(qū)的像素單元相互銜接對應(yīng)。在存儲區(qū)中，每個像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時鐘Bl、BBB4覆蓋的相互連接的四個MOS電容器共同組成。在成像區(qū)中，每個像素單元在垂直方向上可以看作是被四相柵極時鐘Al、AAA4覆蓋的相互連接的四個MOS電容器共同組成。第三章 圖像傳感器FTT1010M的驅(qū)動時序電路設(shè)計(jì) FTT1010M性能介紹FTTI010M是一款幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖像傳感器。對于面陣CCD，它按照一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成二維面陣CCD。而面陣CCD是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號，必須使線陣CCD與二維圖像做相應(yīng)的掃描運(yùn)動，所以用線陣CCD對勻速運(yùn)動物體進(jìn)行掃描成像是非常方便的。然后，再通過驅(qū)動脈沖的驅(qū)動，使其從CCD的移位寄存器中轉(zhuǎn)移出來，形成一定時序輸出的視頻信號。無論是線陣還是面陣CCD，兩者都需要用光學(xué)成像系統(tǒng)將圖像成像在CCD的像敏面上。在你照下一張照片前，必須先將存儲在相機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除，然后再存盤。也就是可以做到同點(diǎn)合成，因此拍攝的照片清晰度相當(dāng)高。這些圖象再合成出一個高分辨率、色彩精確的圖象。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算，因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無法達(dá)到如刀刻般的銳利。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非常快。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。矩陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖象中的一個像素，當(dāng)快門打開時，整個圖象一次同時曝光。這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。 MOS電容器行 驅(qū)動脈沖的波形 面陣CCD與線陣CCD就目前而言，CCD光敏元件主要有兩種類型，一是線性CCD，一是矩陣性CCD（亦稱面陣CCD）。若用二相驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)移較快，但不可靠。在t4時刻，V2開始下降，V3開始上升，電荷包從電位為V2的電極向電位為V3的電極轉(zhuǎn)移……如此反復(fù)進(jìn)行，電荷包便在一行MOS電容器中從左向右轉(zhuǎn)移。勢阱中所捕獲的電荷數(shù)目多少，與該處投射光的強(qiáng)弱成正比。在t1時刻，V1為高電位，V2和V3為低電位，具有V1電位的各電極下形成較深的勢阱。 電荷包的轉(zhuǎn)移在CCD電荷耦合器件中，電荷包被合理地轉(zhuǎn)移，才能形成連續(xù)的電信號。當(dāng)在P型硅與透明金屬電極間加上一個電壓（P型硅連電源負(fù)極）時，在電場力的作用下，P型硅中靠近透明金屬電極處形成一個耗盡區(qū)，從而得到一個存儲少量電荷的勢阱。 CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換過程面陣CCD電荷耦合器件是由一系列MOS電容器按一定規(guī)律排列而成的，每個MOS電容器相當(dāng)于一個光電傳感器，一組MOS電容器對應(yīng)一個像素，一組組MOS電容器完成各個像素的光電轉(zhuǎn)換過程。因此，利用CCD反型前的“非平衡態(tài)”，人為地注入信號電荷（如電注入或光注入），這就是CCD的工作條件。隨著電子的逐漸填充，耗盡層將變窄，表面勢將降低，勢阱變淺，絕緣層上壓降將增加。此時半導(dǎo)體處于“非平衡狀態(tài)”，耗盡層寬度將超過“熱平衡態(tài)”時的最大寬度，故稱為“深耗盡”。因此有N個多子(空穴)，從表面處流向體內(nèi)，而在表面處留下相同數(shù)目的NA離子，形成“空間電荷區(qū)”，外加電壓大部分降落在“空間電荷區(qū)”內(nèi)，只有小部分降落在絕緣層上。如果不是逐漸增加?xùn)艍?，而是?柵極上加階梯電壓UG＞Uth（如UG=10V）。勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積A。出現(xiàn)“強(qiáng)反型”的條件為 （）其中，φs是表面勢，相應(yīng)的柵電壓是MOS電容器的“閾值電壓”Uth。起初表面耗盡層寬度亦隨電壓增加，但當(dāng)能帶彎曲到禁帶中線ET與費(fèi)米能級EF相交且低于EF時，耗盡區(qū)內(nèi)及表面的復(fù)合一產(chǎn)生中心熱激發(fā)提供的電子，使界面處電子濃度急劇增加，并超過空穴濃度，形成一極薄的N型反型層，(c)。稱這種多數(shù)載流子被驅(qū)逐殆盡的情況為“耗盡”。如果在柵極上加一個小的正電壓，界面處電子能量降低，能帶下彎，(b)所示。下面借助能帶圖作進(jìn)一步說明，仍以P型半導(dǎo)體為例，先討論在不同偏壓下處于穩(wěn)定態(tài)的MOS結(jié)構(gòu)。這種情況，對探測光信號是沒有用的。如果沒有外來的信號電荷(電注入或光注入)，勢阱將被熱生少數(shù)載流子逐漸填滿，熱生少數(shù)載流子形成的電流叫“暗電流”，而熱生多數(shù)載流子則可通過襯底跑掉。由于界面處勢阱的存在，當(dāng)有自由電子充入勢阱時，耗盡層深度和表面勢將隨電荷的增加而減少(電子的屏蔽作用)。與此同時，氧化層與半導(dǎo)體界面處的電勢(常稱為表面勢，用滬、表示)發(fā)生相應(yīng)變化。它是在P型(或N型)Si襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000埃~1500埃的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬層（或能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜），并在上面加上一個電極，稱為“柵極”，在襯底和金屬電極間加上一個偏置電壓，就構(gòu)成了一個MOS電容器，(a)所示。CCD器件的主要特性參數(shù)有：靈敏度、動態(tài)范圍、量子效率、光譜特性、光子響應(yīng)非均勻度、光電變換特性、分辨力、惰性、暗電流、信噪比、抗灼傷能力、工作壽命、功耗、可靠性等[1]。在照度為102Lux的微光下，CCD仍能采集圖像。，線陣器件已有12000像元。CCD器件有以下優(yōu)點(diǎn)：、重量輕、耗電少、啟動快、壽命長和可靠性高。對整個論文的內(nèi)容和所做工作進(jìn)行總結(jié)。第四章介紹了用芯片TDA8783來進(jìn)行視頻信號處理電路的設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包括：CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理等。 論文各章節(jié)的安排論文共分為五章，第一章為引言，論述了選題的目的和意義，并對本論文的主要工作即CCD的時序設(shè)計(jì)，CCD的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)及視頻信號處理電路設(shè)計(jì)作了簡要介紹。視頻信號處理電路的設(shè)計(jì)視頻信號處理電路的功能是對CCD輸出的模擬視頻進(jìn)行信號處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字圖像信號通過并行接口傳輸給USB數(shù)據(jù)采集卡處理。驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)可以選用分離元件驅(qū)動電路，也可以選用專用集成驅(qū)動電路。時鐘驅(qū)動電路的作用如下：(a)TTL電平的時鐘信號轉(zhuǎn)換為CCD所需的多種電平信號。同時提供相關(guān)雙采樣需要的控制脈沖、模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的采樣時鐘。在本課題中采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD，實(shí)現(xiàn)各時序信號的產(chǎn)生。 本課題的主要任務(wù)本文的主要研究內(nèi)容是幀轉(zhuǎn)移面陣CCD驅(qū)動時序、驅(qū)動電路和視頻信號處理電路的設(shè)計(jì)?？偟膩碚f，CCD時序脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)可以有很多種方法，主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動法，單片機(jī)驅(qū)動法，EPROM(可擦可編程只讀存儲器)驅(qū)動法，可編程邏輯器件驅(qū)動法和專用IC驅(qū)動法。CCD驅(qū)動時序是一組周期性的，關(guān)系比較復(fù)雜的時序脈沖信號，而且具有特定的電壓電平，它是直