摘要：介紹了高分辨率全幀CCD芯片F(xiàn)TF4027M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動時序，利用CCD專用的集成芯片設(shè)計了該CCD芯片的驅(qū)動電路，其中包括驅(qū)動程序設(shè)計和所需偏置電壓。實驗結(jié)果表明：該驅(qū)動電路功能正確、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計工作量小、功耗極低、可靠性強。
關(guān)鍵詞：電荷耦合器件 I2C總線 相關(guān)雙采樣 時序脈沖產(chǎn)生器 驅(qū)動電路
本文所要設(shè)計的驅(qū)動電路是機載CCD相機上的前端驅(qū)動電路。機載CCD相機能夠?qū)⑴臄z的圖像以數(shù)字的形式采集、存儲和傳輸，并與地面實現(xiàn)實時通信，因此可以很好地克服傳統(tǒng)光學相機的缺點。隨著CCD器件的快速發(fā)展，CCD驅(qū)動時序的產(chǎn)生有很多種方法，比如可以采用數(shù)字集成電路、單片機、EPROM器件或可編程邏輯器件等來實現(xiàn)。本文采用CCD專用的數(shù)字集成芯片和單片機進行設(shè)計來實現(xiàn)CCD驅(qū)動電路。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、設(shè)計周期短、電路可靠性強。而高速時序脈沖產(chǎn)生芯片的運用又克服了單片機晶振頻率低的限制，因此足以滿足高速大面陣CCD的驅(qū)動時序要求。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
CCD驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖如圖1所示，它以微控制器P89LPC932作為系統(tǒng)總的控制單元，在其控制下，SAA8103與TDA9991共同為CCD芯片F(xiàn)TF4027M提供所需的驅(qū)動脈沖和偏置電壓，協(xié)調(diào)整個相機同步工作。CCD輸出的信號是帶有固定圖像噪聲和暗電流的模擬信號，需要運用光學黑補償箝位電路并通過相關(guān)雙采樣去除噪聲干擾，然后進行可在控增益放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這些工作由CCD專用的模擬處理芯片TDA9965來完成。輸出的12位數(shù)字信號送給DSP以便進行進一步的數(shù)字圖像處理。

2 FTF4027M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及驅(qū)動時序分析
FTF4027M是一款1100萬像素（4008×2672）的超大分辨率全幀CCD圖像傳感器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該款芯片在結(jié)構(gòu)上分為三部分，中間最大的區(qū)域為光敏區(qū)，即光積分區(qū)域；上下兩部分為兩個輸出寄存器，將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到四個角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號放大并轉(zhuǎn)移出CCD。該款芯片的最大特點是將光敏區(qū)生成的圖像分成W、X、Y、Z四個對稱的角限，每個象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過四個輸出端同時輸出，有效地增加了幀速率，單端輸出的幀速率為2幀/秒，而四端同時輸出就可以達到7.5幀/秒。在本應(yīng)用中，單端輸出就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，因此采用單端輸出方式，電荷轉(zhuǎn)移方向如圖中虛線所示，A1、A2、A3、A4為垂直驅(qū)動時鐘信號，C1、C2、C3為水平移動時鐘信號。
CCD的幀轉(zhuǎn)移時序圖如圖3所示。SSC為系統(tǒng)內(nèi)部基準時鐘信號，用于校準整個CCD的時序；CR（Charge Reset）為CCD的電荷復(fù)位信號，相當于電子塊門信號；Trig-in是CCD的外部觸發(fā)信號，用于控制CCD光積分的起始和結(jié)束；VA-high是控制四相A時鐘的高低電平轉(zhuǎn)換的信號；TG是光敏區(qū)與輸出寄存器之間的隔柵，TG信號的相位和頻率與A1完全一致。整個幀時序分為三個階段，這三個階段是循環(huán)進行的。把空閑模式階段定義為第一階段，在CCD空閑模式下，A時鐘信號全部保持低電平�？臻e模式后，CCD開始進入第二階段，即光積分階段，A1繼續(xù)保持低電平，A2、A3、A4上升為高電平。因為CCD中的每個像素都可以看作是由四個柵極（每個柵極上連接一相時鐘信號）“覆蓋”的，而且像素之間必須分離開，水平方向上可以通過溝道隔離像素。為了將像素與像素在垂直方向上隔離開，必須將四個柵極中的某一個柵極電壓變?yōu)?。在本應(yīng)用中，將A1保持低電平以起到像素隔離的作用而光生電荷則在保持高電平的A2、A3、A4的柵極下積聚起來，形成信號電荷包。光積分結(jié)束后進入第三階段，即幀轉(zhuǎn)移階段，而幀轉(zhuǎn)移又可以看成是垂直行轉(zhuǎn)移和水平像素轉(zhuǎn)移交替進行的，它們之間的交換轉(zhuǎn)換是通過SSC電平的高低轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。在SSC保持高電平時，光敏區(qū)里已經(jīng)生成的光電荷在四相A時鐘信號的驅(qū)動下逐行地向下轉(zhuǎn)移到輸出寄存器的。如圖4所示，每轉(zhuǎn)移完一行，SSC變?yōu)榈碗娖�，則輸出寄存器就在三相C時鐘信號的驅(qū)動下將這一行逐個像素地向輸出放大器轉(zhuǎn)移。輸出放大器內(nèi)有一個浮置擴散電容FD（Floating Diffusion Capacitance）,它可以將接收到的電荷包轉(zhuǎn)換為電壓信號。RG（Reset Gate）是通過復(fù)位管對FD進行復(fù)位的信號，復(fù)位后FD可以接收下一個電荷包。SG（Summing Gate）是在輸出柵OG之前的最后一個柵，SG信號和RG信號的相位與C3信號的相位相同。一行電荷包經(jīng)過輸出放大器的轉(zhuǎn)換和放大后以電壓信號的形式從CCD輸出，接下來再進行下一行的垂直行轉(zhuǎn)移和水平像素轉(zhuǎn)移輸出，直到光敏面上的所有2684行電荷包輸出完畢為止。由此可見，整個一幀圖像是在A時鐘信號和C時鐘信號的交替驅(qū)動下從CCD輸出而完成幀轉(zhuǎn)移的。

3 系統(tǒng)設(shè)計
由于本系統(tǒng)中采用的芯片都是CCD專用的芯片，因此硬件電路設(shè)計相對簡單一些，主要工作是軟件設(shè)計。本系統(tǒng)內(nèi)部的微控制單元為P89LPC932型單片機，它是一款高性能、低功耗、高速度的小封裝微控制器，內(nèi)帶I2C控制器