基于VHDL的线阵CCD驱动电路的设计
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基于VHDL的线阵CCD驱动电路的设计穆 磊,姜德生,戴 珩
(武汉理工大学光纤传感技术中心 湖北武汉 430070)
摘 要:CCD作为一种新型的光电器件,被广泛地应用于非接触测量,而在CCD工作过程中,其驱动电路的设计成为其
应用的关键技术之一。介绍了一种利用VHDL(硬件描述语言)编写线阵CCD驱动程序的实现方法,对TCD1501D型号的
CCD工作时序做了分析。详细介绍用VHDL完成TCD1501D驱动时序的源代码,最后用Max+PlusⅡ开发软件进行仿真
验证,测量和仿真结果表明,该方法结构简单、系统简化,具有可行性。
关键词:线阵CCD;VHDL;驱动电路;Max+PlusⅡ;时序仿真
中图分类号:TN21 文献标识码:B 文章编号:10042373X(2007)222138202
DesignofDriverCircuitforLinearCCDBasedonVHDL
MULei,JIANGDesheng,DAIHeng(FiberOpticTechnologyResearchCenter,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430070,China)
Abstract:CCDiswidelyusedinnon2contactedmeasuringasanewphotoelectricdevice.DuringCCDworking,thedesignofdriver
circuitisoneofthekeytechnologyinitsapplication.ArealizationmethodindesignofdriveprogramforlinearCCDwhichusesVHDL
(akindofhardwaredescriptionlanguage)isintroducedandworkingsignalofTCD1501Disanalyzed.ThesourcecodeofTCD1501D′
sworkingsignalisdiscussed.Finally,simulatedverificationismadeusingthedevelopmentsoftwareofMax+PlusⅡ.Thesimulation
andtheresultofmeasurementdemonstratethatthismethodissimple,simplifiedandfeasible.
Keywords:linearCCD;VHDL;drivercircuit;Max+PlusⅡ;timingsimulation
收稿日期:2007204217 电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,CCD)的突出
特点是以电荷作为信号,而不同于其他大多数器件是以电
流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电
荷的转移。因此,CCD工作过程的主要问题是信号电荷
的产生、存储、传输、和检测[123]。驱动脉冲的获得成为
CCD应用的关键问题,针对传统时序发生器存在的缺点
与不足,结合实际需要,在分析了TCD1501D工作原理和
对驱动时序要求的基础上,设计了基于复杂可编程逻辑器
件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)的线阵
CCD的驱动,并用Altera公司的仿真软件Max+PlusⅡ
进行了驱动脉冲仿真。
1 CCD驱动时序分析
TCD1501D主要技术指标为:像敏单元数5000,在有
效信号输出前,还有64个哑像元输出;像元尺寸7μm×
7μm,像元间距7μm;光谱响应范围400～1100nm,响应
峰值波长为550nm。TCD1501D的驱动时序如图1所示。
由图1可见,其驱动脉冲主要包括帧转移脉冲SH,电
荷转移脉冲Φ1E,Φ2E,复位脉冲RS,钳位脉冲CP和采样保持
脉冲SP。参阅Toshiba公司的TCD1501D技术资料可知复
位脉冲RS的典型工作频率为1MHz,电荷转移脉冲Φ1E,Φ2E典型工作频率为0.5MHz[425]。在满足TCD1501D工作脉冲的前提下,确定各路脉冲参数如下:RS,CP,SP的占空比
为1∶7,Φ1E,Φ2E为占空比1∶1的方波,由于TCD1501D在
正常工作时有76个哑像元输出,因此,在一个SH积分周
期内至少应该包含5076个复位脉冲。
图1 TCD1501D驱动时序图
2 VHDL驱动电路的实现
2.1 RS脉冲的的产生
CLK是由外部晶振产生的时钟,可选8MHz,所有波
形均由他产生,由于RS占空比为1∶7,因此可对输入时钟
脉冲8分频,低电平占时钟脉冲1个周期,高电平占时钟
脉冲7个周期,当计数器到7时,计数器清零,重新计数,
源代码如下:
A:BLOCK BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IFCLK′EVENTANDCLK=′1′THEN IFCNT<7THEN CNT<=CNT+1; ELSECNT<=0;
831微电子技术穆 磊等:基于VHDL的线阵CCD驱动电路的设计
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2.2 CP脉冲的产生CP脉冲可通过D触发器将RS延时获得,由于RS
和CP
脉冲的延时要≥0ns,故采用两个D触发器延时2个CLK脉冲可得到CP波形,具体源代码如下:
PROCESS(CLK) BEGIN IFCLK′EVENTANDCLK=′1′THEN D1<=D2; D2<=R; ENDIF; ENDPROCESS;CP<=D1;同样的,SP脉冲与RS脉冲延时大于等于0ns,SP波形的产生与CP类似,在此不再赘述。
2.3 Φ1E,Φ2E和SH脉冲的产生
TCD1501D中有5076个RS脉冲,每个RS脉冲是由
8个CLK产生,因此至少要有5076×8=40608个CLK,
所以要定义16位计数器P1,SH在计数器为0～8时为低
电平“0”,8～15为高电平“1”,在计数为16～41600时SH
为低电平“0”,计数到41600时,计数器清零重新计数[6],
具体源代码如下所示:
C:BLOCKBEGINPROCESS(CP1) BEGIN IFCP1′EVENTANDCP1=′1′THEN CP2<=NOTCP2; ENDIF; F1<=(NOTCP2)ORSH1; F2<=CP2AND(NOTSH1); ENDPROCESS; PROCESS(CLK) BEGIN IFCLK′EVENTANDCLK=′1′THEN IFP1<"1010001010000000"THEN IFP1<=4THEN SH0<=′0′; SH1<=′0′; ELSIF(P1>7ANDP1<=15)THEN SH0<=′1′; SH1<=′1′; ELSIF(P1>4ANDP1<=7)OR(P1>15ANDP1<=18)THEN SH0<=′0′; SH1<=′1′; ELSESH0<=′0′; SH1<=′0′; ENDIF; P1<=P1+1; ELSE P1<="0000000000000000"; ENDIF; ENDIF; ENDPROCESS;SH<=SH0;ENDBLOCKC;
F1,F2即为Φ1E,Φ2E的输出波形。
3 驱动脉冲仿真波形
本设计采用Altera公司的仿真软件Max+PlusⅡ进
行仿真,仿真波形如图2所示。
图2 驱动时序仿真波形
由图2可见:SP和RS延时、RS和CP延时、CP和Φ1E延时
均大于0ns;SP,RS,CP脉宽均大于20ns,从仿真结果可以
看出,产生的驱动脉冲与线阵CCD(TCD1501D)所需驱动脉
冲时序完全吻合,能够达到TCD1501D的驱动要求。
4 结 语
基于上述方法开发的线阵CCD驱动电路能够产生满
足TCD1501D要求的驱动脉冲,比以往经常采用的驱动方
法其面积大大减小了,采用CPLD进行设计,简化了CCD
驱动电路的电路系统,整个设计编程完毕后进行仿真、时
序验证正确后再下载到器件中,然后进行电路的测试校验
直到达到预期效果。这样的设计修改起来较为方便,只要
修改程序即可,不需要像传统的设计方法要更换器件修改
设计电路等,实验证明,把VHDL应用于CCD驱动电路
的设计,可以满足系统的高速性和电路的集成度等要求。
参 考 文 献
[1]雷玉堂,王庆有.光电检测技术[M].北京:中国计量出版社,1997.[2]王庆有.CCD应用技术[M].天津:天津大学大学出版社,2000.[3]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:电子工业出版社,2003.[4]陈永峰.线阵CCD图像传感器驱动电路的DSP设计[J].电子元器件应用,2005(10):66268.[5]王杰艳.线阵CCD图像传感器驱动电路的设计[J].国外电子元器件,2006(9):23226.[6]高志国.VHDL在CCD驱动电路中的应用[J].光学仪器,2006,28(3):21227.
作者简介 穆 磊 男,1982年出生,山东五莲人,硕士研究生。主要从事光纤传感技术方面的研究。
931《现代电子技术》2007年第22期总第261期 集成电路
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