針對(duì)512×512的tk512b面陣ccd的驅(qū)動(dòng)要求，采用靈活的數(shù)字式設(shè)置方法設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路，并以大規(guī)模可編程邏輯器件為核心實(shí)現(xiàn)了電路的仿真，電路功能正確，符合各種使用要求；其數(shù)字式設(shè)置方法可為進(jìn)一步擴(kuò)展功能及使用單片機(jī)進(jìn)行控制預(yù)留了空間。

　　面陣ccd器件的廣泛應(yīng)用是在研制復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著過去那種采用標(biāo)準(zhǔn)ttl電路構(gòu)成系統(tǒng)的積木式電路的設(shè)計(jì)方法的摒棄以及大規(guī)模可編程器件的逐漸使用，數(shù)字電路設(shè)計(jì)的革命來臨了。針對(duì)不同的應(yīng)用規(guī)模，可以采用不同規(guī)模的數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)，在ccd應(yīng)用領(lǐng)域中也是如此。隨著線陣ccd、面陣ccd規(guī)模的擴(kuò)大，采用的集成電路的規(guī)模也在擴(kuò)大，從過去的gal到現(xiàn)在的fpga及asic，所完成的驅(qū)動(dòng)功能也越來越完善。針對(duì)tk512b面陣型ccd的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)要求及用戶使用模式的要求，對(duì)于行數(shù)和像元數(shù)的控制采用靈活的數(shù)字式設(shè)置驅(qū)動(dòng)方法，而對(duì)于每個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)則采用多狀態(tài)的譯碼工作原理，以便在一個(gè)像元的時(shí)序內(nèi)達(dá)到更準(zhǔn)確的精細(xì)時(shí)序驅(qū)動(dòng)的要求，充分發(fā)揮ccd的性能和方便用戶調(diào)試。為了保證電路穩(wěn)定可靠地工作，采用同步時(shí)序設(shè)計(jì)方法。ccd驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)關(guān)鍵問題是要保證光積分、行轉(zhuǎn)移、行－串行轉(zhuǎn)移、像元信號(hào)串行輸出狀態(tài)切換期間的平穩(wěn)過渡，否則會(huì)丟失圖像信息和嚴(yán)重影響ccd工作。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器很好地做到了各種狀態(tài)的切換，完全滿足ccd的驅(qū)動(dòng)要求。

　　1 tk512b的驅(qū)動(dòng)時(shí)序

　　tk512b面陣ccd是三相驅(qū)動(dòng)型的，其典型的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖1所示。在光積分之前的幀擦除期，與串行轉(zhuǎn)移相關(guān)的驅(qū)動(dòng)脈沖sa、s1、s2、s3全部為高電平，這樣可以將由p1、p2、p3及tg行驅(qū)動(dòng)所轉(zhuǎn)移來的信號(hào)直接輸出面陣以消除光敏面和串行輸出寄存器內(nèi)積累的暗本底信號(hào)；當(dāng)進(jìn)入光積分期間時(shí)，p1保持高電平而p2、p3及tg均保持低電平，這樣可以使光生電子聚集在p1相電極下，形成信號(hào)電荷包；當(dāng)光積分完成時(shí)，首先是行間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使p1相電極下的電荷包在p2、p3及tg的驅(qū)動(dòng)下整行地逐漸轉(zhuǎn)移到串行輸出寄存器中，并保持在s1相電極下；隨后進(jìn)行—行信號(hào)的串行輸出，轉(zhuǎn)移到串行寄存器中的一行信號(hào)在s1、s2、s3的驅(qū)動(dòng)下將逐個(gè)輸出，在此期間p1保持高電平，p2、p3和tg保持低電平，從而保證光敏面中的未輸出信號(hào)繼續(xù)保持在p1相電極下，直到下一個(gè)行傳輸?shù)拈_始；當(dāng)一行串行信號(hào)轉(zhuǎn)移完時(shí)，就進(jìn)行下一行的行間轉(zhuǎn)移和串行輸出轉(zhuǎn)移，直到光敏面上的所有信號(hào)輸出為止。

　　tk512b面陣ccd的有效光敏面陣列為512×512，實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)的影響，芯片的光敏面陣列為517×577，因此應(yīng)對(duì)該陣列進(jìn)行驅(qū)動(dòng)才能保證ccd工作正常和圖像不受影響。每幀的前5行和每行的前64像元及最后一個(gè)像元為無效信號(hào)單元，在數(shù)據(jù)采集或圖像處理時(shí)應(yīng)注意。

　　2 ccd驅(qū)動(dòng)器框圖

　　根據(jù)每幀行數(shù)、每行像元數(shù)的數(shù)字式設(shè)置方式以及細(xì)分像元驅(qū)動(dòng)時(shí)序、行及像元轉(zhuǎn)移的平穩(wěn)過渡要求，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器框圖如圖2所示。圖中包括快門及幀積分控制、行驅(qū)動(dòng)控制、像元驅(qū)動(dòng)控制及各種控制電路的時(shí)鐘控制等。圖中的中心控制電路主要負(fù)責(zé)各驅(qū)動(dòng)時(shí)序的平穩(wěn)、正常切換。

　　2.1 快門及幀積分控制

　　針對(duì)有機(jī)械快門的相機(jī)結(jié)構(gòu)，首先利用內(nèi)部或外部觸發(fā)脈沖啟動(dòng)機(jī)械快門使之打開，并利用機(jī)械快門上的觸點(diǎn)產(chǎn)生快門已開和關(guān)閉信號(hào)去控制電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其時(shí)序如圖3所示。圖中的shutter-con信號(hào)是內(nèi)部電路對(duì)快門的控制信號(hào)，快門實(shí)際動(dòng)作情況（shutter-open和shutter-close）也如圖所示，它開啟和關(guān)閉的動(dòng)作要遲后于控制信號(hào)；圖中的快門已開信號(hào)可以提供給外部電路作為事件觸發(fā)的控制信號(hào)。這種設(shè)計(jì)思想防止了在快門開啟階段產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并引發(fā)實(shí)驗(yàn)事件從而導(dǎo)致丟失信號(hào)的情況，并且保證了在快門完全關(guān)閉之后ccd才結(jié)束光積分并開始進(jìn)行轉(zhuǎn)移，防止了因快門未完全關(guān)閉可能引起的圖像“拖尾”問題。

　　ccd光積分時(shí)間由一個(gè)12位的數(shù)字預(yù)置電路設(shè)置，計(jì)數(shù)脈沖頻率為1khz，因此可設(shè)置的最大光積分時(shí)間為4095ms，設(shè)置的步進(jìn)為1ms，并且可靈活設(shè)置ccd的曝光時(shí)間而不改變其轉(zhuǎn)移的總時(shí)間[2]，不會(huì)增加其暗本底信號(hào)。但由于機(jī)械快門打開和關(guān)閉時(shí)間的不穩(wěn)定性，將導(dǎo)致所要求的光積分時(shí)間與設(shè)置時(shí)間不完全一致，因此對(duì)所要求的光積分時(shí)間有一個(gè)最小值限制，一般為10ms左右。

　　每幀的啟動(dòng)可以由外部觸發(fā)脈沖trg（外同步方式、等待式）或內(nèi)部的幀結(jié)束信號(hào)frame-end（連續(xù)方式）控制。在每幀的第517行及相應(yīng)的第577像元所對(duì)應(yīng)的clk-s的最后一個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生幀結(jié)束信號(hào)frame-end。

　　2.2 串行像元驅(qū)動(dòng)時(shí)序

　　如前所述，像元驅(qū)動(dòng)時(shí)序采用精細(xì)時(shí)序的驅(qū)動(dòng)原理，一個(gè)像元的驅(qū)動(dòng)分為12個(gè)狀態(tài)，并產(chǎn)生與每行像元數(shù)