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        高幀頻CCD數據采集處理系統的設計

        作者: 時間:2009-11-17 來源:網絡 收藏
        引 言
        電荷耦合器件(Charge Coupled Devices)可以將光信號的強弱轉化為勢阱中電荷量的多少,從而實現光電轉換。它在圖像獲取領域中的應用必然要對輸出數據進行采集處理。針對該高頻相機設計要求,器件選用Sarnoff公司的VCCD512H。結合CCD多路輸出的特點,選用高速雙通道A/D芯片AD9942對輸出模擬信號進行分時轉換,并利用FPGA系統資源豐富的特點,將CCD的系統控制和數據緩存集成在一片FPGA內,簡化了系統邏輯設計。

        1 系統組成
        完整的成像系統由光學系統、焦平面電路和處理電路三部分組成。這里就處理分為:A/D轉換電路和緩存及控制時序設計電路。輸入圖像經光源照射后,通過物鏡成像在CCD光敏元件陣列上,CCD通過驅動電路完成電信號的讀出。在控制電路的作用下,CCD輸出信號進行緩沖放大,并經A/D轉換電路進行數字化處理。通常同步采樣的數據由控制信號控制雙口RAM實現數據存取,為了簡化電路,以Xilinx公司的FPGA(XQ2V3000)作為控制的核心,由其產生CCD驅動信號、A/D控制信號并實現數據存取。系統組成方框圖如圖1所示。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/188517.htm

        2 焦平面電路設計
        2.1 VCCD512H結構
        VCCD512H是美國Sarnoff公司生產的一款背照式轉移面陣CCD,像元數為512×512,光譜范圍為400~950 nm。VCCD512H圖像傳感器由感光區、存儲區、水平移位寄存器和輸出電路等部分組成。感光區和存儲區都包含有16個子陣列,每個子陣列含有256×64個有效像元,每個子陣列對應一組讀出寄存器,整個像面則由16個子陣列,共512×512個有效像元構成,實際應用中根據工程需要采用兩行合為一行的工作方式,即有效像元為512×256,每一路的有效像元數為128×64個,像元讀出速率為2 MHz。
        2.2 緩沖放大電路
        光信號經VCCD512H傳感器后輸出的電信號有如下特點:負極性信號;包含有周期性的復位脈沖串擾;有效信號幅度值較?。幌裨x出速率快。
        CCD輸出信號的上述特點決定了它不能直接送入A/D轉換器,必須從硬件上進行一系列的預處理,包括信號前置反向、阻抗匹配、放大、濾波即消除信號中的復位脈沖、噪聲等所造成的干擾。
        在電路設計中,由CCD讀出的未經相關雙采樣的電信號,首先經過一級射極跟隨器,并在輸出端接一級RC濾波器濾除噪聲,然后交流耦合至差動輸出放大器,由110 Ω屏蔽雙絞電纜連接至差動接收、緩沖,到采樣保持電路。
        2.3 驅動電路
        VCCD512H正常工作時需要11路驅動信號,這包括加在感光區的三相時鐘脈沖A1,A2,A3;加在存儲區的三相時鐘B1,B2,B3;加在讀出寄存器的三相時鐘C1,C2,C3;清除殘留電荷的復位脈沖RET;箝位脈沖CLAMP。以上驅動信號均由FPGA產生時序,但其時序不能直接輸送給CCD芯片,一方面因為CCD驅動電平比較特殊;另一方面,CCD各移位寄存器等效于容性負載,而且各級容性負載不盡相同,所要求的驅動電流也不相同。所以在驅動電路的選擇上,應選擇具有較高電容負載驅動能力和較高工作頻率,該設計選用EL7212。

        3 數據采集處理
        3.1 A/D變換電路
        3.1.1 A/D芯片介紹
        A/D芯片是數據采集系統的核心器件,數據采集系統性能在很大程度上取決于A/D芯片的性能。根據項目要求A/D器件的分辨率應為12位,轉換速率為16 MHz,共16路,故選用高速A/D芯片AD9942。因它可實現兩路模擬信號的40 MHz速率相關雙采樣(CDS),0~18 dB 9 b可變增益放大(VGA),40 MSPS模/數轉換器(ADC),多極暗電平箝位控制。AD9942功能框圖如圖2所示。


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