FPGA_ASIC-基于CPLD工作模式可調的線陣CCD驅動電路設計

1、 本文由烤鴨的幸福貢獻 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查看。 光子學報 第 卷第 期 年月 文章編號： （ ） 基于 工作模式可調的線陣 驅動電路設計 譚露雯， 李景鎮(zhèn)， 陸小微， 楊帆 （ 深圳大學 電子科學與技術學院 深圳市微納光子信息技術重點實驗室， 廣東 深圳 ） 摘 要： 對 傳 統(tǒng) 驅 動 電 路 一 旦 做 出 修 改， 需 對 硬 件 或 程 序 進 行 改 變 的 缺 點， 型 號 為 針 則 以 介紹了一種工作模式可 調 的 驅 動 方 法 方 法 是 利 用 復 雜 可 編 程 邏 該 的線陣 為例， 輯器件和控制外端結合，

2、 通過分別設置內外觸發(fā)來實現(xiàn)的 在外觸發(fā)模式下， 利用外觸發(fā)脈沖， 可由 內觸發(fā) 時， 以 調 節(jié) 的 積 分 時 間 和 驅 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 動 電 路 驗 結 果 表 明， 方 法 調 試 方 實 該 信號輸出質量， 便、 電路結構簡單、 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 關鍵詞： 光電技術； 線陣 驅動； 復雜可編程邏輯器件； 工作模式； 電磁兼容 中圖分類號： 文獻標識碼： 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 高、 夠 實 現(xiàn) 動 態(tài) 測 量 等 優(yōu) 已廣泛應用在產品尺寸測量、 分類和條形碼等許 點， 多領域 應用場合不同， 的要求也不 同， 對 因 此 驅 動 電 路 成 為 應 用 的 關 鍵 技 術 之 一 前， 目 驅 動 方 法 主 要 有 直 接 數(shù) 字 電 路 驅 動 法 ， 驅動方法 ， 單片機驅動方法 ， 結合直接數(shù)字 電路 專用 驅動方法 和 可編 與單片機的驅動方法 ， 程邏輯器件驅動方法 基于這些方法得到的 一般 驅動時序分析 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 動， 轉 移 脈 沖 、 即 驅動脈沖 與 、 各 復位脈沖 和鉗位脈沖 ， 脈沖時序之間的相位關系如圖 驅動設計， 需要在 修 改 硬 件 結 構 或 者 更 改 程 序 的 基 當頻率較高時， 波形易受 礎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 引進一種工作模式可 的線陣 為例， 調的設計方案 運用復雜 可 編 程 邏 輯 器 件（ ） 為 時 序 設 計 ， 作 載體， 將選擇器和外部控制電路相結合， 用戶可以在 并 寬范圍 內 對 驅 動 時 序 進

5、 行 改 變， 結 合 電 磁 兼 容 （ ）技 術 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 的驅動時序關系圖 當 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 通， 敏 區(qū) 積 存 的 信 光 號電荷便轉移到相應 奇、 寄 存 器 內 電 平 由 高 偶 變低時， 二者隔離， 電荷信號則在脈沖 與 的驅 動下依 次 經 與 端 口 輸 出 于 該 是 由 兩列并行傳輸， 因此一個周期 時 間 內 需 要 至 少 個驅動脈

6、沖， 首先 輸 出 個 虛 設 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 以后便是空驅動 空驅動數(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 電路設計及硬件實現(xiàn) 國家自然科學基金（ 資助 ） ： ： 收稿日期： 修回日期： 驅動電路工作原理 傳統(tǒng)驅動 電 路 利 用 時 序 發(fā) 生 器 只 是 提 供 期 譚露雯， 基于 工作模式可調的線陣 驅動電路設計 等： 芯片所需的時鐘脈沖， 當各時序設定好后， 如想更改 以符合不同的實驗要求， 則必須對程序進行修改 基 本

7、 于 的工作時序要 求， 文 在 設 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 動 時 序 通 過 編 程 后 由 編 程 端 各 口 下 載 至 ， 用 和 控 制 電 路 結 利 將來自外部的控制命令轉換成相應的控制信號， 合， 再傳遞至 芯片 外部控制端主要是由進行選擇 的撥動開關以及微 處 理 器 通 過 的 接 口 電 路 組 成 將 芯片的弱 小 信 號 進 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 進行電荷的轉移輸出， 時間長短由微處理器根據 內， 用戶的具體需要通 過 接 口 電 路 設 置， 必 須 大 于 相 但 同驅動頻率下最短積分時間 在內觸發(fā)模式下， 通過 選擇器和計數(shù)器可 以 調 節(jié) 積 分 時 間 分 時 間 的 控 積 制由輸入到 驅 動 器 的 根 數(shù) 據 線 所 設 置 的 電平構成的二進制數(shù)進行設置 其中 為 高位， 為低位 的高電平為 當 ， 時 而 為 為最 短 的 時 間， 最 長 的 時 間 是 默 認 積分時間和可調積分時間的切換 驅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 驅動電路工作原理框圖 效視頻信號 進 行 采 樣 沖 是 為 了 消 除 由 開 關 脈 獲 復位和內部參考電 壓 產 生 的 干 擾 電 平， 得 好 的 采 它 樣輸出而設置的， 的 上 升 沿 對 應 于 單 個 像 元 的 視 頻信號區(qū) 驅動時序的電路實現(xiàn) 本 設 計 采 用 公 司 系 列 的 芯 片 ， 但 為 提 供 不 驅動， 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 的基準時 鐘信號， 設置 個 控 制 輸 入 與 驅

10、 動 電 路 板 上 撥 動 開 關和數(shù)據線對應， 對不同模式進行選擇， 它們分別是 、 、 、 、 、 、 、 、 將 主時鐘進行 分 頻 得 到 四 檔 驅 動 頻 率 令 、 、 和 ， 設 為 高 位， 設 為 低 位， 關 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 過改變開關狀態(tài)， 門邏輯， 依次可以得到 、 和 時序 位 外 是用于內外觸 發(fā) 模 式 的 切 換 置 時， 從 輸出 的 路 視 頻 信 號 因 其 負 極 性、 并且有效信號幅值較小， 不利于觀測及進行數(shù)據 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 別進行反相放大 選用了 兩 個 電 位 器 代 替 固 定 阻 值 的 電 況進行更改， 阻， 調整它們的阻值 可 以 分 別 調 整 放 大 器 的 放 大 倍 率和放大器的正向輸入端電位 仿真結果 利用 軟件， 成 的 各 路 工 作 驅 完 動時序的設計并進 行 編 譯 仿 真， 后 將 程 序 下 載 到 然 以 時 芯片 驅 動 頻 率 為 為 例， 序 仿 真 結 果如圖 圖 驅動電路仿真波形 光子學報 卷 （） 選 圖 是內觸發(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， 驅動脈沖工作， 電荷進行轉移傳輸； （） 圖 是將仿真 結 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 計 中 考 慮 了 問 題， 求 因 在 力 負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 生 畸 變， 中 導 其 過沖時的電壓

13、與額定電壓 的比值 達 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 實驗結果 在 日 光 照 射 下 通 過 示 波 器 進 行 測 量， 嚴 各時序驅 動 脈 沖 與 仿 真 結 果 吻 合， 格 圖 遵照各自的相 位 關 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 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 為降低時鐘感應造成的尖峰干擾， 需要將晶 驅 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 度 為： 犃 狊 ， 中， 為 犈 犈 犳犐 狉 式 最大輻射場強， 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 為差模電流的強度 式 子 可 看 出 場 強 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 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 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盡量加寬， 保證電源線、 地線的走向與數(shù)據傳輸?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 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 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 犚 犚 犣 ， 是 源端阻抗， 是端接 電阻， 犚 犚 經選取合適的電阻值對各部分進行串聯(lián)端接和電容 接地濾波后再進行信號輸出 在未端接 犚 時， 輸 出 的 各 路 驅 動 脈 從 圖 與 的波形圖 兩輸出端輸出的信號采用 光源進行測試， 經數(shù) 據 采 集 卡 后 觀 測 到 的 結 果 為 圖 ， 坐 標 表 示 橫 的是 像 元 個 數(shù)， 坐 標 代 表 信 號 轉 換 后 光 強 的 縱 期 譚露雯， 基于 工作模式可調的線陣 驅動電路設計 等： 灰度級 為 該 芯 片 是 兩 端

18、口 輸 出， 偶 信 號 因 奇 產生的波形必須基本一致， 經過整合后， 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 動 電 路 能 夠 正 常 說 有較高的精度 工作， ： ， 王慶有 像 傳 感 器 應 用 技 術 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 動 電 路 的 研 究 東 北 電 力 學 院 學 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 的 驅 動 電 路 設 計 邢 臺 職業(yè)技術學院學報， ， ： （ ） ， 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 驅動電路設計 方 法 傳感技術學報， ， ： （ ） ， 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 動 系 統(tǒng) 曹 劉 等 基 航空計算技術， ， ： ， （ ） ， ， ， 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 積分時間可調的 相機驅動 時 序 設計與實現(xiàn) 光子學報， ， ） （ ： ， ， 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， 胡學友 基于相關雙采樣技術的 視頻 信 號 處理研究 宇航計測技術， ， ： （ ） ， ， 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 計 電子工藝技術， ， ： （ ） ， ， ， 狋 犪 犲 犾 犛 犐 ， ， ： ： 犘 犈 ， ， ，犲 犪 狋 犾 犃 狏犛 狆狉狅 犱， ， （ ） 犱 狌 犲犮狀 ： 結論 驅 動 電 路 設 計 的 研 究 重 點 主 要 在 于： 時 序 間 各 需保持嚴