FPGA控制下面陣CCD時序發生器設計及硬件實現

摘要 在分析Sony公司ICX098BQ面陣CCD圖像傳感器驅動時序的基礎上，對可調節曝光時間的CCD時序發生器及其硬件電路進行設計。選用FPGA器件作為硬件設計平臺，使用VHDL語言對時序關系進行了硬件描述。采用QuartusII 8.0對所設計的時序發生器進行了功能仿真，并以Altera公司的可編程邏輯器件為核心進行硬件適配。實際測試表明，所設計的驅動時序發生器能夠滿足面陣CCD的驅動要求。實現了設計目的。
關鍵詞 面陣CCD；FPGA；時序發生器

CCD是利用光電轉換原理把圖像信號轉換為電信號，即把一幅按空間域分布的光學圖像，轉換成為一串按時間域分布的視頻信號的半導體元器件。因其具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、工作穩定、壽命長、自掃描和便于同計算機接口等優點，被廣泛應用于圖像傳感和非接觸式測量。CCD應用的關鍵問題之一，是驅動時序發生器設計。它直接關系到CCD的信號處理能力、轉換效率和信噪比等光電轉換特征。針對Sony公司面陣CCD ICX098BQ的工作原理和驅動時序的要求，給出了驅動時序發生器的具體設計，使用VHDL語言對驅動時序發生器的實現方案進行了硬件描述，采用Quartus II 8．0對所設計的時序發生器進行了功能仿真，在該驅動時序發生器作用下，對Sony公司ICX98BQ面陣CCD產生的輸出信號波形進行了驗證。

1 CCD成像系統
CCD成像系統如圖1所示，目標通過光學系統成像在CCD上。在偏置電壓和驅動脈沖的作用下，CCD完成光電荷的轉移、存貯等工作，將光信號轉換成具有直流分量的模擬電信號。形成的模擬電信號經過信號處理器，進行除噪、增益和模數轉換后，將數據傳輸到顯示器或計算機上，進行后期處理。在上述系統中，CCD信號采集模塊是關鍵。對此，主要對CCD信號采集進行分析。

2 面陣CCD圖像傳感器驅動時序分析
2．1 Sony ICX098BQ型面陣CCD
ICX098BQ是Sony公司生產的一款1／4英寸(0．635 cm)，具有可變電子快門的行間轉移型彩色面陣CCD芯片，芯片結構如圖2所示。該芯片靈敏度高，暗電流小，具有較好的抗彌散功能。

ICX098BQ芯片由感光陣列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和輸出放大器4個主要部分組成。要使該CCD芯片正常工作，需要8路驅動時鐘來驅動。分別為4路垂直轉移時鐘Vφ1、Vφ2A、Vφ2B、Vφ3，控制垂直移位寄存器中的電荷信號向水平移位寄存器移動，其中當Vφ2A和Vφ2B為+15 V高電平時作為讀出轉移時鐘，將感光陣列的信號電荷轉移到垂直移位寄存器中；兩路水平轉移時鐘Hφ1、Hφ2，控制水平移位寄存器中的電荷信號向前遷移；復位門時鐘RG，使水平移位寄存器中的電荷信號順利輸出，其頻率為10 MHz，直接決定CCD電荷信號的水平輸出頻率并控制曝光量的電子快門時鐘φSUB。
上述驅動信號均由CCD驅動時序發生器產生。由于面陣CCD的驅動信號數量多，相位要求嚴格，且需要多種電壓的驅動，因此進行時序分析并設計出高精度的驅動時序電路是問題的關鍵。