1 總體方案設計

線陣CCD一般不能直接在測量裝置中使用，因此CCD驅動信號的產生及輸出信號的處理是設計高精度、高可靠性和高性價比線陣CCD驅動模塊的關鍵。

傳統(tǒng)驅動CCD的設計方法使CCD的工作頻率較慢，信號輸出噪聲增大，不利于提高信噪比，不能應用于要求快速測量的場合。而用可編程邏輯器件CPLD進行驅動，則可提高脈沖信號相位關系的精度，以及提供給CCD驅動脈沖信號的頻率，而且調試容易、靈活性高。目前，在工業(yè)技術中，多采用基于CPLD的驅動電路實現(xiàn)線陣CCD的驅動。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 基于CPLD 的線陣CCD 的驅動電路

2 硬件設計

2. 1 CPLD 的硬件電路的設計

以CPLD（ Complex Programmable Logic Device） 器件為核心，設計線陣CCD 的驅動電路。然后在其基礎上擴展，選擇其他元器件，設計出與其相配套的電路部分，經調試后組成硬件系統(tǒng)。

CPLD 的電路由5 部分組成， 有源晶振向EPM240T100C5N 的U1A 的IO/GCLK0 口輸入時鐘脈沖CLK0，提供了CPLD 工作的時鐘脈沖，因為時序邏輯的需要。U1C 從JTAG 端口中下載程序，U1B 的52、54、56、58 口輸出脈沖信號。U1D 管腳接3. 3 V 電壓，U1E 管腳接地。電路原理如圖2 所示。

圖2 CPLD 的電路原理圖

2. 2 DC /DC 模塊的設計

為得到CPLD 所需的電壓，外接電源需要經過DC /DC 模塊進行轉換。為進一步減少輸出紋波，可在輸入輸出端連接一個LC 濾波網絡，電路原理如圖3所示。

圖3 DC/DC 模塊的電路原理圖設計

2. 3 穩(wěn)壓模塊的電路設計

由DC /DC 模塊轉換的直流電壓，經過一個R11電阻和一個發(fā)光二極管接地，發(fā)光二極管指示燈，然后從AMS 芯片的Vin端輸入，進入到芯片的內部，經過一系列的計算，從Vout輸出3. 3 V 電壓，GND 端端口接地。為消除交流電的紋波，電路采用電容濾波，分別用0. 1 μF 的極性電容和10 μF 的非極性電容組成一個電容濾波網絡。電路原理如圖4 所示。

圖4 穩(wěn)壓模塊的電路設計

2. 4 CCD 電路設計

CCD 電路采用TCD1500C，它是一個高靈敏度、低暗流、5340 像元的線陣圖像傳感器。其像敏單元大小是7 μm × 7 μm × 7 μm，相鄰像元中心距7 μm，像元總長37. 38 mm.該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR.TCD1500C 的測量精度和分辨率都很高，并且只需4 路驅動信號： SH、φ、RS、SP。電路原理如圖5 所示。

圖5 CCD模塊電路原理圖

2. 5 電平轉換的電路設計

由于CPLD 輸出的驅動脈沖電壓為3. 3 V，而CCD工作所需的驅動脈沖為5 V，所以需要在CPLD 和CCD之間加入一個電平轉換電路。電路原理如圖6 所示。

圖6 電平轉換的電路原理圖

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用Verilog HDL 硬件描述語言，按照模塊化的思路設計，將要完成的任務分成為多個模塊，每個模塊由一個或多個子函數(shù)完成。這樣能使設計思路清晰、移植性強，在調試軟件時容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，降低了軟件調試的難度。程序中盡量減少子函數(shù)之間的相互嵌套調用，這樣可以減少任務之間的等待時間，提高系統(tǒng)處理任務的能力［7 - 8］。主程序如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

SH 是一個光積分信號，SH 信號的相鄰兩個脈沖之間的時間間隔代表了積分時間的長短。光積分時間為5 416 個RS 周期，對系統(tǒng)時鐘進行光積分的分頻，實現(xiàn)了SH 信號脈沖。在光積分階段，SH 為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發(fā)生電荷轉移。時鐘脈沖φ 為典型值0. 5 MHz 時，占空比為50%，占空比是指高電平在一個周期內所占的時間比率。它是SH 信號和占空比為50%的一個0. 5 MHz 的脈沖信號疊加，所以0. 5 MHz 的信號和SH 信號通過一個或門，就可以實現(xiàn)φ 信號； 輸出復位脈沖RS 為1 MHz，占空比1∶ 3.此外，RS 信號和SH、φ 信號有一定的相位關系，通過一個移位寄存器移相，來實現(xiàn)RS 脈沖信號。

4 仿真實驗

系統(tǒng)時鐘周期部分設置為1 ns，正常工作時復位信號RS 為高電平，然后對RS、φ、SH 信號進行仿真，結果如圖8 所示。

圖8 QuartusⅡ仿真效果圖

5 結束語

研究的線陣CCD?驅動電路主要是以CPLD 為驅動中心而設計，這種方案減少了以往驅動電路的電路體積大、設計復雜、調試困難等缺點，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，集成度高且抗干擾能力強。通過對硬件和軟件大量的模擬實驗表明，文中所研究的線陣CCD 驅動脈沖信號能夠滿足CCD 工作所需的基本功能，達到了設計要求。
來源；電子工程網