FPGA_ASIC-基于CPLD工作模式可調(diào)的線陣CCD驅(qū)動電路設(shè)計

1、 本文由烤鴨的幸福貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 光子學(xué)報 第 卷第 期 年月 文章編號： （ ） 基于 工作模式可調(diào)的線陣 驅(qū)動電路設(shè)計 譚露雯， 李景鎮(zhèn)， 陸小微， 楊帆 （ 深圳大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 深圳市微納光子信息技術(shù)重點實驗室， 廣東 深圳 ） 摘 要： 對 傳 統(tǒng) 驅(qū) 動 電 路 一 旦 做 出 修 改， 需 對 硬 件 或 程 序 進(jìn) 行 改 變 的 缺 點， 型 號 為 針 則 以 介紹了一種工作模式可 調(diào) 的 驅(qū) 動 方 法 方 法 是 利 用 復(fù) 雜 可 編 程 邏 該 的線陣 為例， 輯器件和控制外端結(jié)合，

2、 通過分別設(shè)置內(nèi)外觸發(fā)來實現(xiàn)的 在外觸發(fā)模式下， 利用外觸發(fā)脈沖， 可由 內(nèi)觸發(fā) 時， 以 調(diào) 節(jié) 的 積 分 時 間 和 驅(qū) 動 頻 率 提 高 可 為 用戶控制 的曝光和信號輸出時間； 針對 問 題 給 出 了 線 陣 的 外 圍 驅(qū) 動 電 路 驗 結(jié) 果 表 明， 方 法 調(diào) 試 方 實 該 信號輸出質(zhì)量， 便、 電路結(jié)構(gòu)簡單、 集成度較高、 輸出信號可靠穩(wěn)定、 受干擾小， 可配合多種用戶需要， 對高速精確測 量及線陣推掃模式具有一定參考價值 關(guān)鍵詞： 光電技術(shù)； 線陣 驅(qū)動； 復(fù)雜可編程邏輯器件； 工作模式； 電磁兼容 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 犱犻 狅 ： 引言 線陣 由于具有實

3、時傳輸光電變換信號、 自 頻 能 掃描速度快、 率 響 應(yīng) 高、 夠 實 現(xiàn) 動 態(tài) 測 量 等 優(yōu) 已廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品尺寸測量、 分類和條形碼等許 點， 多領(lǐng)域 應(yīng)用場合不同， 的要求也不 同， 對 因 此 驅(qū) 動 電 路 成 為 應(yīng) 用 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 之 一 前， 目 驅(qū) 動 方 法 主 要 有 直 接 數(shù) 字 電 路 驅(qū) 動 法 ， 驅(qū)動方法 ， 單片機(jī)驅(qū)動方法 ， 結(jié)合直接數(shù)字 電路 專用 驅(qū)動方法 和 可編 與單片機(jī)的驅(qū)動方法 ， 程邏輯器件驅(qū)動方法 基于這些方法得到的 一般 驅(qū)動時序分析 低暗電流、 有效像 是一種高靈敏度、 素單元為 個 的 雙 溝 道 并 行 輸 出 線 陣

4、 它正常工作時需要 路 脈 沖 驅(qū) 動， 轉(zhuǎn) 移 脈 沖 、 即 驅(qū)動脈沖 與 、 各 復(fù)位脈沖 和鉗位脈沖 ， 脈沖時序之間的相位關(guān)系如圖 驅(qū)動設(shè)計， 需要在 修 改 硬 件 結(jié) 構(gòu) 或 者 更 改 程 序 的 基 當(dāng)頻率較高時， 波形易受 礎(chǔ)上才可以改變某些功能 為了解決這一問題， 實現(xiàn)電路的靈活多樣 電路干擾 性， 出 信 號 的 穩(wěn) 定 可 靠 性，本 文 以 型 號 為 輸 引進(jìn)一種工作模式可 的線陣 為例， 調(diào)的設(shè)計方案 運(yùn)用復(fù)雜 可 編 程 邏 輯 器 件（ ） 為 時 序 設(shè) 計 ， 作 載體， 將選擇器和外部控制電路相結(jié)合， 用戶可以在 并 寬范圍 內(nèi) 對 驅(qū) 動 時 序 進(jìn)

5、 行 改 變， 結(jié) 合 電 磁 兼 容 （ ）技 術(shù) 令 ， 該 電路板得到穩(wěn)定可靠的 信 號 輸 出 電 路 適 用 于高速 ， 記 錄 一 維 瞬 態(tài) 信 息 具 有 一 定 意 義， 對 可用于線陣 推掃模式 圖 的驅(qū)動時序關(guān)系圖 當(dāng) 脈沖高 電 平 到 來 時， 值 為 高 電 平， 正 感光陣列和移位寄 存 器 之 間 導(dǎo) 通， 敏 區(qū) 積 存 的 信 光 號電荷便轉(zhuǎn)移到相應(yīng) 奇、 寄 存 器 內(nèi) 電 平 由 高 偶 變低時， 二者隔離， 電荷信號則在脈沖 與 的驅(qū) 動下依 次 經(jīng) 與 端 口 輸 出 于 該 是 由 兩列并行傳輸， 因此一個周期 時 間 內(nèi) 需 要 至 少 個驅(qū)動脈

6、沖， 首先 輸 出 個 虛 設(shè) 單 元 信 號， 輸 出 再 然 個暗電流 信 號， 后 連 續(xù) 輸 出 個 有 效 像 素 單元 在緊接著輸出 的 個 暗 信 號 后 再 輸 出 個 奇 以后便是空驅(qū)動 空驅(qū)動數(shù)目可以是任 偶檢測信號， 意的， 利用它可以延長光積分時間 電路設(shè)計及硬件實現(xiàn) 國家自然科學(xué)基金（ 資助 ） ： ： 收稿日期： 修回日期： 驅(qū)動電路工作原理 傳統(tǒng)驅(qū)動 電 路 利 用 時 序 發(fā) 生 器 只 是 提 供 期 譚露雯， 基于 工作模式可調(diào)的線陣 驅(qū)動電路設(shè)計 等： 芯片所需的時鐘脈沖， 當(dāng)各時序設(shè)定好后， 如想更改 以符合不同的實驗要求， 則必須對程序進(jìn)行修改 基 本

7、 于 的工作時序要 求， 文 在 設(shè) 計 電 路 時 充分考慮了實際需求， 工作原 理 框 圖 如 圖 外 部 由 時鐘提供主脈沖， 驅(qū) 動 時 序 通 過 編 程 后 由 編 程 端 各 口 下 載 至 ， 用 和 控 制 電 路 結(jié) 利 將來自外部的控制命令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號， 合， 再傳遞至 芯片 外部控制端主要是由進(jìn)行選擇 的撥動開關(guān)以及微 處 理 器 通 過 的 接 口 電 路 組 成 將 芯片的弱 小 信 號 進(jìn) 行 一 個 放 大 處 理 后 信 號 輸 出 觸發(fā)模式有效， 光積 分 以 及 信 號 輸 出 時 間 由 外 觸 發(fā) 脈沖 決定 的 上 升 沿 觸 發(fā)， 它 高

8、電 平 期 間 在 進(jìn)行電荷的轉(zhuǎn)移輸出， 時間長短由微處理器根據(jù) 內(nèi)， 用戶的具體需要通 過 接 口 電 路 設(shè) 置， 必 須 大 于 相 但 同驅(qū)動頻率下最短積分時間 在內(nèi)觸發(fā)模式下， 通過 選擇器和計數(shù)器可 以 調(diào) 節(jié) 積 分 時 間 分 時 間 的 控 積 制由輸入到 驅(qū) 動 器 的 根 數(shù) 據(jù) 線 所 設(shè) 置 的 電平構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行設(shè)置 其中 為 高位， 為低位 的高電平為 當(dāng) ， 時 而 為 為最 短 的 時 間， 最 長 的 時 間 是 默 認(rèn) 積分時間和可調(diào)積分時間的切換 驅(qū)動電路還對外提供了 路用于采樣的接口信 號： 行同步脈沖 和像 元 同 步 脈 沖 上 升 沿 電路工

9、 作 對應(yīng)于 第一個有效像元的有效期間 時可以在每 個 的 上 升 沿 開 始 對 輸 出 的 有 圖 驅(qū)動電路工作原理框圖 效視頻信號 進(jìn) 行 采 樣 沖 是 為 了 消 除 由 開 關(guān) 脈 獲 復(fù)位和內(nèi)部參考電 壓 產(chǎn) 生 的 干 擾 電 平， 得 好 的 采 它 樣輸出而設(shè)置的， 的 上 升 沿 對 應(yīng) 于 單 個 像 元 的 視 頻信號區(qū) 驅(qū)動時序的電路實現(xiàn) 本 設(shè) 計 采 用 公 司 系 列 的 芯 片 ， 但 為 提 供 不 驅(qū)動， 而且也為輸 出 信 號 的 采 集 提 供 時 鐘 以 及 其 他 以 電路的時序匹配 晶振作為 的基準(zhǔn)時 鐘信號， 設(shè)置 個 控 制 輸 入 與 驅(qū)

10、 動 電 路 板 上 撥 動 開 關(guān)和數(shù)據(jù)線對應(yīng)， 對不同模式進(jìn)行選擇， 它們分別是 、 、 、 、 、 、 、 、 將 主時鐘進(jìn)行 分 頻 得 到 四 檔 驅(qū) 動 頻 率 令 、 、 和 ， 設(shè) 為 高 位， 設(shè) 為 低 位， 關(guān) 在 位 時 代 表 在 開 ， 位時代表 時頻率最低， 時頻率最高， 通 ， 可以選擇不同頻率 通過與門和或 過改變開關(guān)狀態(tài)， 門邏輯， 依次可以得到 、 和 時序 位 外 是用于內(nèi)外觸 發(fā) 模 式 的 切 換 置 時， 從 輸出 的 路 視 頻 信 號 因 其 負(fù) 極 性、 并且有效信號幅值較小， 不利于觀測及進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理 對 這 一 情 況， 用 對 、 分

11、 針 選 在放大電路中， 為了方便對不同情 別進(jìn)行反相放大 選用了 兩 個 電 位 器 代 替 固 定 阻 值 的 電 況進(jìn)行更改， 阻， 調(diào)整它們的阻值 可 以 分 別 調(diào) 整 放 大 器 的 放 大 倍 率和放大器的正向輸入端電位 仿真結(jié)果 利用 軟件， 成 的 各 路 工 作 驅(qū) 完 動時序的設(shè)計并進(jìn) 行 編 譯 仿 真， 后 將 程 序 下 載 到 然 以 時 芯片 驅(qū) 動 頻 率 為 為 例， 序 仿 真 結(jié) 果如圖 圖 驅(qū)動電路仿真波形 光子學(xué)報 卷 （） 選 圖 是內(nèi)觸發(fā)模式 下 的 仿 真， 擇 了 最 短 光 積分時間， 周期為 ； （ ） 外 觸 發(fā) 模 式 的 圖 是 仿

12、真初始輸入的 脈寬為 ， 高電 仿真圖， 在 平期間， 驅(qū)動脈沖工作， 電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移傳輸； （） 圖 是將仿真 結(jié) 果 放 大， 、 頻 率 為 ， 、 的 脈寬均為 相 位 稍 落 后 于 ， 以 看 出 脈 ， 可 沖間的關(guān)系符合時序要求 電路板制作 電路搭建過 程 中， 號 源、 種 電 路 元 器 件、 信 各 傳 影 輸路徑都容易對信 號 形 成 干 擾， 響 輸 出 信 號 的 完 整性 此， 設(shè) 計 中 考 慮 了 問 題， 求 因 在 力 負(fù)載端和傳輸線的特性阻抗不匹配， 信 沖由于源端、 號多次 發(fā) 生 反 射， 致 信 號 波 形 產(chǎn) 生 畸 變， 中 導(dǎo) 其 過沖時的電壓

13、與額定電壓 的比值 達(dá) 到 ， 接 之 端 后， 比值僅為 ， 信 比較可發(fā) 現(xiàn)， 號 得 到 了 較 大 的 改善 實驗結(jié)果 在 日 光 照 射 下 通 過 示 波 器 進(jìn) 行 測 量， 嚴(yán) 各時序驅(qū) 動 脈 沖 與 仿 真 結(jié) 果 吻 合， 格 圖 遵照各自的相 位 關(guān) 系 是 沒 有 考 慮 情 況 下從示波器觀察到 的 脈 沖 的 波 形 有 所 失 真， 它 最高峰值和谷值超過規(guī)定值， 存在過沖和振鈴現(xiàn)象， 這會對器件 造 成 損 傷， 使 芯 片 壽 命 減 少 是 并 圖 位 下 與 的時序波形 圖， 于 上 方 的 是 脈 沖， 方是 與 的周 期 相 同， 的 占 空 比 為

14、 同 ， 的脈寬是 的 一 半 樣 選 取 橫 坐 標(biāo) 每 格 為 由圖可以看出， 比起 圖 ， 沖波 形 上 升 脈 記錄， 電壓較為 穩(wěn) 定， 號 得 到 很 好 的 改 善， 明 信 說 沿變緩， 電路板較好地抑制了信號反射， 降低噪聲 降低干擾 從元件 布 局 上， 安 排 、 、 振 和 放 先 晶 大器這些敏感、 易輻射干擾的元件， 遵從高速到低速 的原則 晶振提供 的 時 鐘 脈 沖 是 系 統(tǒng) 高 頻 噪 聲 的 主 要來源 為降低時鐘感應(yīng)造成的尖峰干擾， 需要將晶 驅(qū) 振與 引 腳 盡 量 靠 近， 動 器 貼 近 各 管 腳， 晶振外殼接地并固定， 并用地線把時鐘區(qū)隔離起

15、來 任何 電 路 都 存在 差 模 和 共 模 電 流 模 電 流 的 差 最大輻 射 電 場 強(qiáng) 度 為： 犃 狊 ， 中， 為 犈 犈 犳犐 狉 式 最大輻射場強(qiáng)， 為觀察 點 到 差 模 電 流 環(huán) 路 的 距 離， 狉 犃 犐 犳 為差模電流的頻率， 為差 模電 流 的 環(huán) 路 面 積，犛 為差模電流的強(qiáng)度 式 子 可 看 出 場 強(qiáng) 和 回 路 面 積 由 成正比 為減小差模發(fā)射電平， 最有效的途徑就是減 小信號環(huán)路的面積 共模輻 射 最 大 場 強(qiáng) 計 算 公 式 可 描 述 為： 犈 （ ）狉） 從式 中 可 知 道 犈 與 電 犳 犐 犾 （ ， 纜的長 度犾， 模 電 流 頻

16、 率 犳， 模 電 流 強(qiáng) 度 犐 成 正 共 共 比 考 慮 到 這 兩 類 騷 擾 電 流 對 線 路 板 的 輻 射， 布 在 線時， 信號線盡量靠近地線， 犃 盡 可 能 減 ?。?小 令 減 電纜長度， 并將共模電流旁路到地來減少共模輻射 電源線和地線在允許范圍內(nèi)盡量加寬， 保證電源線、 地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?另外， 由于傳輸線本身具有特性阻抗， 可表示為 犎 （槡 ） （犜 ） 犠 狉 圖 改善前 的時序圖 犣 式中 犠 是線條寬 度， 是 印 制 線 厚 度， 是 信 號 線 犜 犎 與 參 考 平 面 的 間 距 狉 是 質(zhì) 材 料 的 有 效 介 電 常 數(shù) 對于高

17、速信號線考慮信 號完 整 性 要 進(jìn) 行 阻 抗 匹配 對于過載傳輸線這里主要采用源端端接處理， 根據(jù) 犚 犚 犣 ， 是 源端阻抗， 是端接 電阻， 犚 犚 經(jīng)選取合適的電阻值對各部分進(jìn)行串聯(lián)端接和電容 接地濾波后再進(jìn)行信號輸出 在未端接 犚 時， 輸 出 的 各 路 驅(qū) 動 脈 從 圖 與 的波形圖 兩輸出端輸出的信號采用 光源進(jìn)行測試， 經(jīng)數(shù) 據(jù) 采 集 卡 后 觀 測 到 的 結(jié) 果 為 圖 ， 坐 標(biāo) 表 示 橫 的是 像 元 個 數(shù)， 坐 標(biāo) 代 表 信 號 轉(zhuǎn) 換 后 光 強(qiáng) 的 縱 期 譚露雯， 基于 工作模式可調(diào)的線陣 驅(qū)動電路設(shè)計 等： 灰度級 為 該 芯 片 是 兩 端

18、口 輸 出， 偶 信 號 因 奇 產(chǎn)生的波形必須基本一致， 經(jīng)過整合后， 才能正常輸 圖 （） 出 個有效像素 是 處 理 噪 聲 前 的 輸 出 曲線上毛刺較多， 不夠平整， 測量時取值容易出現(xiàn)誤 差； （ ） 圖 由 是去除 噪 聲 濾 波 過 后 的 輸 出， 圖 可 見 整合后的曲線較為 平 滑， 明 本 驅(qū) 動 電 路 能 夠 正 常 說 有較高的精度 工作， ： ， 王慶有 像 傳 感 器 應(yīng) 用 技 術(shù) 北 京： 子 工 業(yè) 出 版 社， 圖 電 犑 狌狀犾狅 犖 狉犺犪狋犆 犻犪犐狊 狋狋 犳 犈犲狋犻 狅 狉 犪 犳 狅狋犲狊 犺狀 狀狋 狌犲狅 犾犮狉犮 犻 犘 狑 狉犈

19、犵狀犲犻 犵， ， ： ， 狅 犲 狀 犻犲狉狀 （ ） 郭朝暉 驅(qū) 動 電 路 的 研 究 東 北 電 力 學(xué) 院 學(xué) 報， ， （ ）， ： ， ， 犪 ，犲 犾 狋 ： ， ， ： 犑 狌狀犾 狅 犡 狀 狋犻 狅 狉 犪 犳 犻 犵犪 犘 犾狋犮 狀犮犆犾 犵 ， ， ： 狅狔犲犺犻 狅犾 犲 （ ） 犲 王慧華 一種基于新 型 單 片 機(jī) 的 驅(qū) 動 電 路 設(shè) 計 邢 臺 職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， ， ： （ ） ， 犲 犪 ， ， 犾 狋 犆 犻犲犲犑 狌狀犾狅 犲狊狉 ，犺狀狊 狅 狉 犪 犳犛 狀狅狊 犪 犱犃狋犪狅狊， ， ： 狀 犮狌狋狉 （ ） 虞益挺， 饒伏波， 喬大勇，

20、等 一種新型 驅(qū)動電路設(shè)計 方 法 傳感技術(shù)學(xué)報， ， ： （ ） ， 犾 ， ， 犲 狋犪 犃 狉狀 狌犻犪 犆 犿 狌犲 犲狅 犪狋 犾 狅 狆 狋狉 犮 犜 犮犻狇 犲， ， ： 犲犺狀 狌 （ ） 陽范青， 劍 中， 波， 于 的 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 曹 劉 等 基 航空計算技術(shù)， ， ： ， （ ） ， ， ， 犪 犲 犾 狋 犃狋 犺狋狀犮 犻犻犪， ，（） 犮犪犘 狅狅犻犪犛狀犮 ： 周建康， 陳新華， 周望， 等 積分時間可調(diào)的 相機(jī)驅(qū)動 時 序 設(shè)計與實現(xiàn) 光子學(xué)報， ， ） （ ： ， ， 犲 犾 ， 狋犪 圖 信號輸出 犈 犈犜 犪狊犖 犮 犮 ， ， ： 犈 狉 狀 狌犾犛

21、犻 （ ） 犐 ： ， ： ， ， 犑 狌狀犾狅 犃狋狅 犪狋 犕 狋狅狅 狔 犪 犱 犕 犪狌犲 犲狋， 狅 狉 犪 犳 狊 狀 狌犻 犲狉犾犵 狀 狉 犮 犲狊狉 犿 狀 ， ： （ ） 張林， 李永新， 胡學(xué)友 基于相關(guān)雙采樣技術(shù)的 視頻 信 號 處理研究 宇航計測技術(shù)， ， ： （ ） ， ， 犈犲狋狅犻狊 狉犮狊 犲犺 狅狅 狔， ， 犾犮狉狀犮 犘 狅犲狊犜 犮 狀犾犵 （ ） ： 劉建斌， 孫軍， 田智會 電磁 兼 容 與 電 路 板 的 可 靠 性 設(shè) 計 電子工藝技術(shù)， ， ： （ ） ， ， ， 狋 犪 犲 犾 犛 犐 ， ， ： ： 犘 犈 ， ， ，犲 犪 狋 犾 犃 狏犛 狆狉狅 犱， ， （ ） 犱 狌 犲犮狀 ： 結(jié)論 驅(qū) 動 電 路 設(shè) 計 的 研 究 重 點 主 要 在 于： 時 序 間 各 需保持嚴(yán)