线阵CCD图像传感器驱动电路的设计

线阵CCD系统设计童列树驱动电路设计：TCD1209D采用双向时钟驱动，要正常驱动此CCD工作，除了要提供电源外，还需提供6个驱动的信号：SH转移脉冲信号、RS复位脉冲信号、CP缓冲控制脉冲信号、Ф1和Ф2（Ф2b）模拟移位寄存器的驱动双相脉冲信号。

其中Ф2和Ф2b都是Ф2转移电极的驱动信号，只是Ф2b在模拟移位寄存器上所处的位置最靠近输出端，信号电荷将从Ф2b电极下的势阱通过输出栅转移到输出端。

但是Ф2b和Ф2的时序是一样的，可以合为一路信号，所以CCD实际上只要5路信号。

转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲Ф1必须为高电平，而且保证SH的下降沿落在Ф1的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行地向模拟移位寄存器的Ф1电极转移。

完成信号电荷的并行转移后，SH变为低电平，光敏区与模拟位移寄存器被隔离。

在光敏区进行光积累的同时，模拟位移寄存器在驱动时钟中Ф1和Ф2的作用下，将转移到模拟移位寄存器的Ф1电极里的信号电荷向输出方向移动，在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出。

ADC的选择：对于驱动电路来说，还要对ADC进行控制，系统所用的数模转换芯片是AD9224。

AD9224是一款12位，40MSPS的高性能的模数转换器，它具有高性能采样保持放大器和参考电压参考。

因为AD9224使用的时候受ADC 时钟的控制，图3所示是其工作的采样时序图。

AD9224 概述：AD9224是一款单芯片、12位、40 MSPS 模数转换器（ADC ），采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。

AD9224采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在40 MSPS 数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。

AD9224 特性∙ 低功耗：415 mW ∙ +5 V 单电源 ∙ 保证无失码∙ 微分非线性（DNL ）误差：±0.33 LSB ∙ 片内采样保持放大器和基准电压源 ∙ 信噪比（SNR ）：68.3 dB∙无杂散动态范围（SFDR ）：81 dB ∙ 超量程指示∙ 数据输出格式：标准二进制 ∙ 28引脚SSOP 封装 ∙与3 V 逻辑兼容AD9224 参数AD9224 基本参数分辨率(Bits) 12吞吐率 40 MSPS AD9224 其他特性 工作电压(V) 4.75-5.25 输入通道数 1AD9224 封装与引脚SSOP28信号的调理：在带有模拟电路的设计中，信号的调理成为不可缺少部分。

2014年《仪器光电综合实验》实验报告姓名学号实验名称：彩色线阵CCD传感器实验及驱动电路设计报告实验日期：2014年10 月17日第一部分彩色线阵CCD传感器实验报告（实验一、实验二、实验三、实验四）实验一、线阵CCD原理2．驱动脉冲相位的测量2)用CH1 探头测量转移脉冲SH。

用CH2 探头分别观测驱动脉冲F1与F2。

SH-F1SH-F2对比两图，发现F2、F1的相位相反，并且均进入采集状态早于SH脉冲，离开采集状态晚于SH脉冲，从而保证了充分采集电子。

3)用CH1 探头测量F1 信号。

CH2 探头分别测量F2、RS、CP、SP 信号。

F1-F2F1-SPF1-RSF1-CPF2与F1相位相反，SP脉冲迟于F1，RS略迟于SP，CP略迟于RS,即在F1高电平期间，先采样保持，后复位，再篏位，从而输出稳定的图像。

4)用CH1 探头测量CP 信号。

CH2 探头分别测量RS、SP。

CP-RSCP-SP可见篏位信号CP滞后于采样保持信号SP和复位信号RS。

5) 将以上所测的相位关系与TCD2252D 的驱动波形相对照。

实验结果与之完全符合。

3．驱动频率和积分时间测量将实验仪的频率设置恢复为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。

用CH1 做观测FC信号的同步（示波器扫描频率调至2ms 左右，便于观察）。

用CH2 测量SH 信号。

发现SH和FC信号周期相同。

4) 保持CH1 探头不变，增加积分时间，用CH2 探头分别测量UG、UR 和UB 信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。

积分时间0档02 R积分时间0档02 G 积分时间0档02 B积分时间0档05 R 积分时间0档05 G积分时间0档05 B 积分时间0档08 R积分时间0档08 G积分时间0档08 B5)展开SH 信号，观测SH 波形和CCD 输出波形之间的相位关系。

R GB6)重复上述步骤观测FC 波形和CCD 输出波形之间的相位关系。

实验一线阵CCD原理及驱动一、实验目的①掌握本实验仪的基本操作和功能；②掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法；③线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。

④通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号测量，进一步掌握线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。

理解线阵CCD器件的“溢出”效应。

二、实验前准备内容①学习线阵CCD的基本工作原理（参考有关教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书；②学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）；③掌握双踪迹示波器的基本操作；④根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。

观测F1与F2及F1与RS间的相位关系，理解线阵CCD 的串行传输过程和复位脉冲RS的作用；⑤测量驱动频率的不同调整档下的F1与F2、F1、RS的周期与频率以及CCD行（FC）周期为以下实验做准备。

三、实验所需仪器设备①双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台；②彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD－IV一台。

四、实验内容及步骤1．实验预备①首先将示波器地线与实验仪上的地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均插入交流220V插座上；②打开示波器电源；③打开YHLCCD－IV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位表示积分时间档次值，共分为32档，显示数值范围由“00”~“31”，数值越大表示积分时间越长。

末位表示CCD的驱动频率，分4档，显示数值范围“0”~“3”，数值越大表示驱动频率越低。

目录1 技术指标 (2)1.1 实验目的 (2)1.2 实验要求 (2)2 实验所需设备及实验原理 (2)2.1实验设备 (2)2.2 CPLD驱动基本原理 (2)2.3 CCD驱动时序要求 (5)3 实验内容及步骤 (8)3.1实验内容 (8)3.2实验步骤 (8)4 实验过程分析 (9)4.1 变频部分 (9)4.2 SH信号与Φ1、Φ2信号部分 (9)4.3 SP、CP、RS信号部分 (12)5实验结果分析及调试过程 (14)5.1 软件仿真结果分析 (14)5.2 测试结果分析 (15)5.3 调试过程 (17)6 心得体会 (17)7 参考文献 (18)1基于VHDL的彩色线阵CCD驱动电路设计1 技术指标1.1 实验目的1、了解线阵CCD驱动时序要求；2、学会QuartusII软件基本使用方法；3、学会使用VHDL语言编写基本逻辑时序并设计出线阵CCD驱动电路。

1.2 实验要求1、能够独立使用QuartusII软件编写时序；2、能够使用CPLD驱动板让线阵CCD正常工作。

2 实验所需设备及实验原理2.1实验设备1、CPLD驱动板一块（附带下载线一条）以及12V电源；2、双踪示波器一台（带宽50MHZ以上）；3、计算机一台以及QuartusII软件一套。

2.2 CPLD驱动基本原理CPLD驱动板分布图如图1所示：2图1 CPLD驱动板分布CPLD驱动板主要包括电源模块、时钟输入模块、JTAG下载模块、主芯片、驱动信号处理模块、CCD模块、测试区以及扩展I/O口。

各模块内容以及功能如下：电源模块：包括12 V电源输入和12V转5V电路，实验板有三个电源开关，分别为NO1、NO2、NO3，NO1为实验板电源输入开关，闭合此开关12V转5V 电路工作；NO2为5V电源开关，闭合此开关实验板有5V电源输入；NO3为CCD电源开关，闭合此开关CCD模块有12V电源输入。

时钟输入模块：时钟输入模块为50MHZ有源晶振提供，可以在CPLD模块中分频和倍频得到不同的频率时钟。

基于FPGA的线阵型CCD驱动电路设计∗程瑶;周娜;王荣秀【摘要】CCD驱动电路的设计是实现CCD各种设计功能的关键性因素,只有对其驱动信号设计的严格把关,才会进一步保证CCD器件后续工作的开展。

分析线阵CCD器件TCD1703C的驱动时序要求,采用QuartusⅡ软件,选用Verilog HDL语言设计了各路驱动时序信号。

将程序设计下载到FPGA器件中,通过逻辑分析仪对输出信号进行了波形监测,验证了线阵CCD的驱动时序设计的可行性。

将产生的驱动时序信号接入CCD器件,不同光照入射的条件下,CCD在驱动信号的驱动下,正常工作并输出了相应的视频信号。

%The design of driving circuits is a crucial factor to realize the various design features.Only with the strict driving signals desiging,the CCD devices can perform the further work. TheTCD1703C driver timing requirements for linear array CCD device were analyzed. And the driving signals were designed by usingQuartusⅡsoftware and Verilog HDL. The program was downloaded to the FPGA device,and the output signals’ waveforms were monitored by the logic analyzer. So the feasibility of the time sequence design of linear array CCD was verified. Finally, connecting the driving signals to the CCD device,the CCD was driven by the driving signals,and the corresponding video signal was output under the different illumination conditions.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)001【总页数】5页(P82-86)【关键词】CCD;驱动电路;FPGA;QuartusⅡ;Verilog HDL【作者】程瑶;周娜;王荣秀【作者单位】重庆理工大学机械工程学院，重庆400050;重庆理工大学机械工程学院，重庆400050;重庆工商大学，重庆400067【正文语种】中文【中图分类】TN386.5CCD图像传感器是利用光电转换原理将图像信号转变为电信号，在各领域都得到了广泛的应用，备受人们的广泛关注［1］。

1 总体方案设计线阵CCD 一般不能直接在测量装置中使用，因此CCD 驱动信号的产生及输出信号的处理是设计高精度、高可靠性和高性价比线阵CCD 驱动模块的关键。

传统驱动CCD 的设计方法使CCD 的工作频率较慢，信号输出噪声增大，不利于提高信噪比，不能应用于要求快速测量的场合。

而用器件CPLD 进行驱动，则可提高脉冲信号相位关系的精度，以及提供给CCD 驱动脉冲信号的频率，而且调试容易、灵活性高。

目前，在工业技术中，多采用基于CPLD 的实现线阵CCD 的驱动。

系统框图如图1 所示。

图1 基于CPLD 的线阵CCD 的驱动电路2 硬件设计2. 1 CPLD 的硬件电路的设计以CPLD（Complex Programmable Logic Device）器件为核心，设计线阵CCD 的驱动电路。

然后在其基础上扩展，选择其他元器件，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。

CPLD 的电路由5 部分组成，有源晶振向EPM240T100C5N 的U1A 的IO/GCLK0 口输入时钟脉冲CLK0，提供了CPLD 工作的时钟脉冲，因为时序逻辑的需要。

U1C 从JTAG 端口中下载程序，U1B 的52、54、56、58 口输出脉冲信号。

U1D 管脚接3. 3 V 电压，U1E 管脚接地。

电路原理如图2 所示。

图2 CPLD 的电路原理图2. 2 DC /DC 模块的设计为得到CPLD 所需的电压，外接电源需要经过DC /DC 模块进行转换。

为进一步减少输出纹波，可在输入输出端连接一个LC 滤波网络，电路原理如图3所示。

图3 DC/DC 模块的电路原理图设计2. 3 稳压模块的由DC /DC 模块转换的直流电压，经过一个R11电阻和一个发光二极管接地，发光二极管指示灯，然后从AMS 芯片的Vin端输入，进入到芯片的内部，经过一系列的计算，从Vout输出3. 3 V 电压，GND 端端口接地。

为消除交流电的纹波，电路采用电容滤波，分别用0. 1 μF 的极性电容和10 μF 的非极性电容组成一个电容滤波网络。

线阵CCD图像传感器驱动电路的设计1 引言电荷耦合器件(CCD．Charge(Couple DevICe)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。

目前随着CCD器件性能不断提高．在图像传感、尺寸测量及定位测控等领域的应用日益广泛．CCD应用的前端驱动电路成本价格昂贵，而且性能指标受到生产厂家技术和工艺水平的制约．给用户带来很大的不便。

CCD驱动器有两种：一种是在脉冲作用下CCD器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵CCD摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像。

所以根据不同应用领域和技术指标要求．选择不同型号的线阵CCD器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是CCD应用中的关键技术之一。

本文以TCD1501C型CCD图像传感器为例．介绍了其性能参数及外围驱动电路的设计．驱动时序参数可以通过VHDL程序灵活设置．该电路已成功开发并应用于某型非接触式位置测量产品中。

2 CCD工作原理CCD是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

当光入射到CCD的光敏面时．CCD首先完成光电转换．即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。

CCD的工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上．CCD根据光的强弱积聚相应的电荷．产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。

基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵CCD可以实现图像传感和尺寸测量的功能。

图1为CCD光谱响应曲线。

3 驱动电路的实现线阵CCD TCD1501C的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35 mm；光谱响应范围为400 nm-1000 nm．光谱响应峰值波长为550 nm，灵敏度为10．4 V／lx．s～15．6 V／lx．s。

基于CPLD的线阵CCD驱动电路的设计作者：张晖刘晶和思铭来源：《电脑知识与技术》2012年第24期摘要：针对线阵CCD芯片TCD1206UP，提出了一种基于CPLD的驱动方案，讨论了电路的工作原理和设计特点，同时给出了电路原理图和CPLD电路的时序仿真波形。

该设计方案有效地完成了对TCD1206UP的驱动，并且具有高效开发、可重复编程，可修改的优势。

关键词：CCD；TCD1206UP；CPLD中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)24-5917-02The Design of Linear CCD’s Drive Circuit Based on CPLDZHANG Hui, LIU Jing, HE Si-ming(Department of Electrician and Electron, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)Abstract: In order to meet the needs of linear array CCD chip TCD1206UP，this paper presents a driving plan for linear CCD based on CPLD,In addition,the principle of operation and design of circuit were discussed and the principle circuit and the schedule simulation wave? form of CPLD were given.The design effectively completed TCD1206UP drive，and has the advantages of efficient development,being re? programmable and modified.Key words: CCD; TCD1206UP; CPLDCCD是一种完成光电转换的图像传感器，广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪、工业测量等领域。

现代电子技术Modern Electronics TechniqueFeb.2022Vol.45No.42022年2月15日第45卷第4期0引言线性CCD 作为一种新型的半导体集成光电器件[1]，具有自扫描功能、无图像残留、响应快速、灵敏度高等优点，且因失真小的优势在非接触式测量、无损式检测、图像传感等领域[2⁃9]被大量使用。

驱动时序的正确设计是CCD 完全发挥自有的光电转换特性，同时是高速、精确或实时测量的有力保障。

线性CCD 自诞生以来不断发展，其驱动方法主要包括以下几种[10]：1）采用数字门电路进行驱动：直接将各种基础逻辑门芯片进行组合形成正确的逻辑驱动电路。

构建驱动电路的过程可以理解为驱动脉冲信号的产生过程，但电路设计复杂，门电路众多，容易造成门级时序延时，且电路板复杂且体积庞大。

2）采用单片机驱动：利用编程，驱动脉冲由I/O 发出。

该驱动方法通过编程方式实现，简单快捷，但主频较低，处理能力不足，单片机容易被其他外设资源占用，实时性难以保障。

3）采用E 2PROM 进行驱动：以二进制代码方式将驱动CCD 的时序逻辑存储在E 2PROM 中，并在地址发生器的驱动下生成驱动时序脉冲。

E 2PROM 产生的波形精确，波形与波之间能满足时序要求，波形稳定性强，但DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.04.009引用格式：汪文静，陈智，周云鹤，等.高灵敏度的线阵CCD 驱动电路设计[J].现代电子技术，2022，45（4）：45⁃49.高灵敏度的线阵CCD 驱动电路设计汪文静，陈智，周云鹤，张晨，刘海洋（内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特010018）摘要：由于一般单片机的驱动频率不足，难以带动CCD 传感器工作，因此需对CCD 传感器的驱动脉冲进行正确设计。

文中提出一种线性CCD 驱动电路的设计方法。

该设计采用具有增强型内核的STM32单片机产生CCD 的驱动脉冲，同时使用相关电路模块来完成对CCD 的驱动，并利用内置的高速A/D 转换功能完成数据采集和数据处理工作，从而完成驱动模块软硬件的设计。