高幀頻CCD數據采集處理系統的設計

3．1．2 A／D功能實現
多路模擬信號的同步采樣一般有兩種實現方法：一種為多個A／D轉換器同時進行轉換；另一種為僅有一個A／D轉換器，各通道同時采樣，然后分時轉換。針對該系統，AD9942的像素時鐘可以達到40 MHz，且為雙通道同時轉換，故采用分時轉換即可實現系統要求，且可以節省成本。實際應用中將CCD的16通道分成上下兩個半幀，上半幀8個通道分時復用AD9942的A通道進行A／D轉換，下半幀8個通道分時復用B通道進行A／D轉換。
硬件電路實現時，需要將CCD輸出的每一路模擬信號通過采樣保持電路，對模擬輸入信號準確采樣，并將采樣結果保持一定時間，通過兩個8選1模擬開關，分別送到A／D變換器的A通道和B通道。分時復用實現原理圖如圖3所示。

根據采樣保持電路的時鐘可以將該電路工作分為采樣和保持兩個階段。在采樣階段，采樣得到的電壓以電荷的形式存儲在采樣電容上，輸出端處于短路狀態，采樣階段即將結束的時候，輸入端處于開路狀態，存儲電荷不再改變；在保持階段，輸入采樣信號通過保持電容轉移到輸出端，由FPGA控制模擬開關分時選通每一路CCD信號，從而通過兩個階段的交替完成A／D變換全過程。
VCCD512H每一路的有效像元數為128×64。由于每行有8個過掃描像元(用于行箝位)，故設計中要保證使每行最少輸出72個像元，則上下半幀的像元數都為128×576個。由此可以確定AD9942的主時鐘CLI_X(CLI_A，CLI_B)即像素時鐘為40 MHz，行同步信號HD_X，幀同步信號VD_X，并由FPGA分頻產生其波形。它的時序圖如圖4所示。

3．1．3 高速A／D與FPGA接口實現
AD9942采樣率達到40 MHz，由FPGA提供像素時鐘、行同步、幀同步信號，但是這么高的時鐘在線路板中是一個潛在的威脅，它既容易干擾其他器件，又容易被其他器件干擾。AD9942的數字輸出屬于并行，2個40 MSPS、12位數據流，如此高速數據傳輸與存儲容易使數字系統中出現競爭冒險和亞穩態，因此首先在A／D的數據輸出引腳和FPGA的輸入引腳之間串聯100 Ω的電阻，用來削弱高速數據線在0，1之間變換產生的毛刺和數據線之間的干擾。其次，在FPGA內部對A／D的數據線和鎖存時鐘的使用應嚴格按照器件手冊上的建立時間和保持時間來設計，否則容易產生亞穩態。
3．2 FPGA實現A／D控制、數據緩存
3．2．1 FPGA器件選擇
現場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)集采樣控制、處理、緩存、傳輸控制、通信于一個芯片內，編程配置靈活，開發周期短，系統簡單，具有高集成度、體積小、功耗低、高速、I／O端口多、在線系統編程等優點，在只需要簡單數據處理的情況下，FP-GA能夠提供比專用高速DSP更好的解決方案，并且特別適用于對時序有嚴格要求的高速多通道數據采集系統。特本設計在實際應用中以FPGA作為數據采集的控制核心，實現CCD多通道模擬信號的采集和處理。為實現系統控制與數據緩存一體化的設計，該系統采用的XQ2V3000是Xilinx公司推出的Virtex-Ⅱ系列的FPGA，它內部有豐富的資源，包括三百萬個門，448 Kb的分布RAM，96個乘法器，96×18 Kb的Block RAM，12個數字時鐘管理器(DCM)，720個可配置I／O引腳，最高內部工作頻率達300 MHz。