行間轉(zhuǎn)移面陣ccd芯片和高速運(yùn)放電路建模

行間轉(zhuǎn)移面陣ccd芯片和高速運(yùn)放電路建模

1高速錄像視頻圖像的無(wú)線輸出該展臺(tái)具有輸出噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、產(chǎn)量高的優(yōu)點(diǎn)。隨著sd設(shè)備本身的技術(shù)水平的提高，成像質(zhì)量和設(shè)備本身的可靠性進(jìn)一步提高。因此，該展臺(tái)在光度儀和成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在各種非接觸測(cè)量領(lǐng)域。根據(jù)陣列排布方式的不同,CCD成像器件分為線陣和面陣兩大類。高速攝像機(jī)在科研、運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用,是研究高速事件的重要設(shè)備。在航空航天領(lǐng)域,美國(guó)已經(jīng)成功應(yīng)用高速相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量飛行器的像移并進(jìn)行像移補(bǔ)償,取得了很好的成像效果;在圖像診斷領(lǐng)域,高速攝像亦用來(lái)研究汽車碰撞、物體破碎等運(yùn)動(dòng)攝像過(guò)程。目前實(shí)現(xiàn)高速攝像的主要方法有:(1)將大容量圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器集成在CCD內(nèi)部,在攝像期間不需要把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移出去而是直接存儲(chǔ),待攝像結(jié)束后再陸續(xù)轉(zhuǎn)移出去,由此能實(shí)現(xiàn)高速高分辨率攝像,但攝像時(shí)間有限;(2)增加輸出信號(hào)的通道數(shù)量,在相同的分辨率和轉(zhuǎn)移時(shí)鐘情況下,把幀頻提高到原來(lái)通道的數(shù)倍,此方法能實(shí)現(xiàn)高速高分辨率攝像且實(shí)時(shí)性好,但隨著通道數(shù)的增加,整個(gè)相機(jī)結(jié)構(gòu)龐大,且仍需把多路信號(hào)實(shí)時(shí)合成一幅完整的視頻圖像;(3)在提高轉(zhuǎn)移時(shí)鐘頻率的同時(shí)適當(dāng)降低輸出圖像的分辨率。本設(shè)計(jì)采用常見(jiàn)的CCD芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),克服了設(shè)計(jì)中一系列的難題,可在4種分辨率(640×480、228×480、640×164和228×164)下工作,通過(guò)提高CCD的像素時(shí)鐘和實(shí)現(xiàn)CCD的開(kāi)窗工作方式,可實(shí)時(shí)采集并顯示圖像,使輸出圖像的分辨率為228×164時(shí),幀頻可以達(dá)到1000frame/s。2單雙輸出通道工作原理KAI-0340DM是柯達(dá)公司的一款行間轉(zhuǎn)移CCD圖像傳感器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。最下方的4行是擋光的黑像元行,上方的488行是感光像元行;在這488行像元中,最上方和最下方的4行作為緩沖行,因此實(shí)際有用的像元為480行;最大的像素時(shí)鐘頻率為40MHz,可以4種分辨率(640×480、228×480、640×164和228×164)并以單或雙輸出通道工作方式下輸出信號(hào),每行輸出的CCD信號(hào),包括了12啞像素、24個(gè)黑像素和324個(gè)感光像素。KAI-0340DM的工作原理是:感光區(qū)內(nèi)的感生電荷在電子快門脈沖出現(xiàn)期間被清除,當(dāng)電子快門脈沖消失后開(kāi)始新的光積分階段;當(dāng)光積分結(jié)束后,垂直轉(zhuǎn)移的三電平脈沖把感光區(qū)內(nèi)的感生電荷整幀轉(zhuǎn)移到擋光的存儲(chǔ)區(qū)中,然后再逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中,最后把水平移位寄存器中的感生電荷逐個(gè)轉(zhuǎn)移到輸出端;在電荷從感光區(qū)轉(zhuǎn)移到擋光的存儲(chǔ)區(qū)期間,若V2和V2C都出現(xiàn)了相同的三電平信號(hào),且FD和FDC都為低,則轉(zhuǎn)移出的電荷為感光區(qū)內(nèi)所有像素的感生電荷;若V2和V2C都出現(xiàn)了相同的三電平信號(hào),且FD為低而FDC為高,則轉(zhuǎn)移出的電荷為感光區(qū)中部的228×480個(gè)像素的感生電荷;若V2C出現(xiàn)三電平信號(hào)V2沒(méi)有出現(xiàn),且FD和FDC都為低,則轉(zhuǎn)移出的電荷為感光區(qū)中部640×164個(gè)像素的感生電荷;V2C出現(xiàn)三電平信號(hào)V2沒(méi)有出現(xiàn),且FD為低而FDC為高,則轉(zhuǎn)移出的電荷為感光區(qū)中部的228×164個(gè)像素的感生電荷。3fpga視頻處理單元高速相機(jī)的工作原理是:鏡頭的像面耦合到CCD圖像傳感器的焦平面上,鏡頭視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)將成像于CCD圖像傳感器的焦平面上,在CCD圖像傳感器的感光區(qū)產(chǎn)生的感生電荷數(shù)量與輸入的光能量成線性關(guān)系;PC機(jī)作為整個(gè)CCD相機(jī)系統(tǒng)的主控制器,它通過(guò)串口(RS232或RS422接口)向控制器1發(fā)出各種命令:攝像開(kāi)始、攝像結(jié)束、四種分辨率工作方式選擇、視頻處理器的相關(guān)參數(shù)相機(jī)工作相關(guān)命令和參數(shù)和640×480分辨率下的單級(jí)積分時(shí)間和積分級(jí)數(shù);控制器1產(chǎn)生CCD圖像傳感器的垂直及電子快門時(shí)序信號(hào),經(jīng)垂直及電子快門驅(qū)動(dòng)電路后輸出垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電子快門信號(hào);同時(shí),控制器1對(duì)視頻信號(hào)處理器和水平時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器進(jìn)行控制,輸出水平驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)并在視頻信號(hào)處理器內(nèi)部產(chǎn)生相關(guān)的視頻處理信號(hào);景物經(jīng)鏡頭成像在CCD圖像傳感器上,感光區(qū)產(chǎn)生的電荷受垂直和水平轉(zhuǎn)移信號(hào)控制,以40MHz的像素時(shí)鐘并以雙通道方式輸出,經(jīng)預(yù)放器后送入視頻信號(hào)處理器進(jìn)行視頻處理,最終以雙路位寬為14bit、時(shí)鐘為40MHz輸出數(shù)字圖像信號(hào)到控制器2中;控制器2在得到控制器1輸出的控制信號(hào)后,使外部存儲(chǔ)器單元工作在乒乓方式下,對(duì)視頻處理器輸出的兩路圖像數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合并經(jīng)降頻處理,最終以60MHz像素時(shí)鐘14bit位寬經(jīng)CameraLink輸出單元輸出;CameraLink輸出單元輸出的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)CameraLink電纜傳輸?shù)絇CIe采集卡和顯示設(shè)備上進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示,見(jiàn)圖2。3.1gx的ad297及其采集高速相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是各驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間及CCD輸出模擬視頻信號(hào)和視頻處理信號(hào)之間相位的精細(xì)調(diào)整,常見(jiàn)的視頻處理芯片不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和視頻處理相關(guān)信號(hào),需要由外部的控制器產(chǎn)生,當(dāng)要求各信號(hào)相位精度為0.4ns時(shí),要求控制器的工作頻率至少為2.5GHz,價(jià)格昂貴且功耗大。AnalogDevice公司生產(chǎn)集成視頻處理器AD9979芯片,水平時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生和視頻處理集成在芯片內(nèi)部,通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器的設(shè)置完成所有輸出時(shí)序信號(hào)的控制,當(dāng)像素時(shí)鐘為40MHz時(shí)各輸出信號(hào)相位精度為0.39ns。AD9979的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,ADC的最高工作頻率為65MHz,位寬為14bit;通過(guò)I2C接口對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置,在輸入時(shí)鐘CLI和控制信號(hào)VD及HD的控制下,內(nèi)部精細(xì)時(shí)序核可產(chǎn)生水平時(shí)序信號(hào)和視頻處理相關(guān)信號(hào);當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為65MHz時(shí),輸出信號(hào)相位精度為0.24ns。本設(shè)計(jì)采用AD9979芯片,水平時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生和視頻處理集成在芯片內(nèi)部,通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器的設(shè)置完成所有輸出時(shí)序信號(hào)的控制,當(dāng)像素時(shí)鐘為40MHz時(shí),各輸出信號(hào)相位精度為0.39ns。3.2熱控制板設(shè)計(jì)高速相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之二是水平時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)器散熱,常用見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器的功耗為PD=VS×IS+CINT×V2S×f+CL×VOUT2×f,(1)其中,PD為功耗,VS為供電電源對(duì)地電壓,IS為靜態(tài)工作電流,CINT驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部負(fù)載,f為工作頻率,CL為驅(qū)動(dòng)器所接的外部負(fù)載;驅(qū)動(dòng)器的功耗和工作頻率成線性關(guān)系,工作頻率越高,功耗越大,若散熱不良可導(dǎo)致芯片不能正常工作甚至燒毀芯片。熱控的主要思想是增加器件位置的熱容,吸收器件熱量,緩解快速升溫,同時(shí)盡可能減小散熱通道熱阻,使散熱通道溫差最小;本設(shè)計(jì)根據(jù)根據(jù)傅里葉定律PD=λATr,(2)其中λ為導(dǎo)熱系數(shù),Tr芯片上升的溫度,A為散熱面積越大,溫升越小;本設(shè)計(jì)中溫升與面積成反比的關(guān)系,使采用熱阻小的QFN封裝水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器,并將其底部的散熱金屬底座和線路板上的大面積地焊接在一起,由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)極大,可忽略芯片散熱底座和線路板大面積地之間的熱阻,使散熱面積成倍增加,芯片在相同的功耗下溫升可大大降低,經(jīng)測(cè)試在相機(jī)工作時(shí)驅(qū)動(dòng)器溫升僅5.2℃。3.3反饋電路產(chǎn)生的附加相移c高速相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之三是運(yùn)放電路的設(shè)計(jì),CCD像素時(shí)鐘很高,高像素時(shí)鐘要求運(yùn)放帶寬很寬,在很寬的頻帶范圍內(nèi)增益仍很高;如圖4所示,運(yùn)放負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的根本原因之一是AF的附加相移,如圖4所示,當(dāng)-AF=1時(shí),則放大電路將可能產(chǎn)生自激振蕩。由于運(yùn)放內(nèi)部結(jié)電容、分布電容的影響,隨著信號(hào)頻率的增加,運(yùn)放增益將下降,而且產(chǎn)生了附加像移ψa(ω);由于高頻情況下分布參數(shù)的影響,反饋網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)產(chǎn)生附加像移ψf(ω),整個(gè)環(huán)路產(chǎn)生的附加相移ψ(ω)=ψa(ω)+ψf(ω).(3)如圖5(a)所示,對(duì)于理想的運(yùn)放電路,其反饋系數(shù)和反饋電路產(chǎn)生的附加相移分別為F(jω)=R1R1+R2?ψf(ω)=0F(jω)=R1R1+R2?ψf(ω)=0,(4)反饋回路沒(méi)產(chǎn)生附加相移,而通常運(yùn)放內(nèi)部已進(jìn)行相移補(bǔ)償,不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。如圖5(b)所示,考慮到電路的分布參數(shù)時(shí),其反饋系數(shù)和反饋電路產(chǎn)生的附加相移為???F(jω)=R1R1+R2+jωR1R2c2ψf(ω)=?arctanωc2R1R2(R1+R2),(5){F(jω)=R1R1+R2+jωR1R2c2ψf(ω)=-arctanωc2R1R2(R1+R2),(5)反饋電路產(chǎn)生的附加相移值ψf(ω)為一直為負(fù),而且其絕對(duì)值隨頻率的增大而增大,當(dāng)附加相移ψ(ω)為π的奇數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)自激;如圖5(c)所示,當(dāng)在運(yùn)放電路中增加補(bǔ)償電路時(shí),其反饋系數(shù)和反饋電路產(chǎn)生的附加相移為?????F(jω)=R1R1+R2+R3?ω2R1R2R3c2c4+jω(R1R2c2+R1R3c4+R1R3c2+R2R3c4)ψf(ω)=?arctanω(R1R2c2+R1R3c4+R1R3c2+R2R3c4)R1+R2R3?ω2R1R2R3c2c4,(6){F(jω)=R1R1+R2+R3-ω2R1R2R3c2c4+jω(R1R2c2+R1R3c4+R1R3c2+R2R3c4)ψf(ω)=-arctanω(R1R2c2+R1R3c4+R1R3c2+R2R3c4)R1+R2R3-ω2R1R2R3c2c4,(6)當(dāng)頻率小于ωc時(shí)剛開(kāi)始反饋電路產(chǎn)生的附加相移為負(fù),當(dāng)在頻率超過(guò)ωc開(kāi)始變?yōu)檎?ωc=R1+R2+R3R1R2R3c2c4????????√.(7)ωc=R1+R2+R3R1R2R3c2c4.(7)補(bǔ)償電路改變了原反饋電路的相移值,在反饋系數(shù)中增加了一補(bǔ)償極點(diǎn)ωc,因補(bǔ)償極點(diǎn)對(duì)附加相移的貢獻(xiàn)以致在新的環(huán)路相移ψ(ω)為π的奇數(shù)倍時(shí)環(huán)路增益小于1,從而使電路穩(wěn)定地工作;由于R3的值很小,所以增加頻率補(bǔ)償電路后電路的增益變化很小。本設(shè)計(jì)采用了如圖5(d)的頻率補(bǔ)償電路,并避免出現(xiàn)自激的方法是合理選擇運(yùn)放的帶寬,滿足應(yīng)用要求就行;在線路板布局布線時(shí)盡量避免運(yùn)放管腳分布電容的產(chǎn)生;在運(yùn)放電路中加入頻率補(bǔ)償電路,經(jīng)測(cè)試運(yùn)放工作狀態(tài)穩(wěn)定,無(wú)自激現(xiàn)象。3.4圖像數(shù)據(jù)的lvds傳輸高速相機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之四是雙路高速圖像數(shù)據(jù)的整合和輸出數(shù)據(jù)的傳輸。若直接把兩路輸入的40MHz位寬為14bit的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合對(duì)控制器和存儲(chǔ)器要求高,增加了成本;雙路轉(zhuǎn)單路的合并,則進(jìn)行數(shù)據(jù)整合的時(shí)鐘為80MHz,使用外部異步存儲(chǔ)器時(shí)需要控制器產(chǎn)生精細(xì)的控制信號(hào);使用外部同步存儲(chǔ)器或控制器內(nèi)部的存儲(chǔ)資源時(shí)成本很高;若直接將CCD圖像數(shù)據(jù)以單路14bit輸出時(shí),像素時(shí)鐘為80MHz,若采用LVDS傳輸數(shù)據(jù)時(shí),至少需要17對(duì)差分線進(jìn)行傳輸,線纜數(shù)量多體積臃腫;當(dāng)使用CameraLink接口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),僅需要5對(duì)差分線來(lái)傳送數(shù)據(jù),但根據(jù)CameraLink協(xié)議,每對(duì)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)傳輸速率為560Mbit/s,由于電磁場(chǎng)效應(yīng),各信號(hào)易相互干擾,無(wú)誤碼傳輸距離隨頻率的增加而變短,需特殊工藝制作電纜,成本高,對(duì)圖像采集設(shè)備系統(tǒng)要求也高。本設(shè)計(jì)中圖像數(shù)據(jù)的處理流程如圖6所示,將兩路輸入的40MHz位寬為14bit的圖像數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換為兩路20MHz位寬為28bit的圖像數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)整合的時(shí)鐘僅為40MHz,可方便地把雙路圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部的異步存儲(chǔ)器中;在數(shù)據(jù)處理中引入異步時(shí)鐘,通過(guò)壓縮圖像數(shù)據(jù)的消隱期對(duì)輸出圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行異步降頻,在保證輸出幀頻和每幀有效數(shù)據(jù)量不變的情況下,降低了輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率,以30MHz時(shí)鐘讀出整合后的圖像數(shù)據(jù),經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后最終以60MHz輸出數(shù)據(jù),只需一根普通的CameraLink電纜就能穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示圖像并存儲(chǔ)到硬盤。4高速無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)dc調(diào)試中,水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘為40MHz,以雙通道方式輸出CCD信號(hào),示波器為DSO5054(采樣頻率為4GHz,帶寬為500MHz)。圖7為水平復(fù)位驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)測(cè)波形,頻率40MHz,脈寬6.25ns,高低電平在器件的正常工作范圍內(nèi);圖8為雙路輸出的CCD信號(hào),頻率為40MHz,幅度為0.7V,無(wú)自激現(xiàn)象。高速相機(jī)在全分辨率下,單級(jí)積分時(shí)間為500μs,積分級(jí)數(shù)為1時(shí)幀頻為160fps;當(dāng)分辨率為640×164時(shí),幀頻為498fps;當(dāng)分辨率為228×480時(shí),幀頻為359fps;當(dāng)分辨率為228×480時(shí),幀頻為1000fps;信噪比在40dB以上,動(dòng)態(tài)范圍高于60dB;圖9為當(dāng)相機(jī)的分辨率為228×164,幀頻為1000fps拍攝到的節(jié)能燈燈管的一小段在關(guān)燈瞬間由亮逐漸變暗的過(guò)程。5高速運(yùn)放自激振蕩模型本文根據(jù)科研、運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的高速攝像要求,采用常規(guī)CCD開(kāi)窗和提高像素轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的方法提高幀頻,解決了設(shè)計(jì)中的一系列難題。采用集成視頻處理芯片來(lái)產(chǎn)生各高速時(shí)序信號(hào);介紹了行間轉(zhuǎn)移面陣CCD芯片KAI-0340DM的工作原理;采用高度集成視頻處理芯片產(chǎn)生各高速時(shí)序信號(hào);使用熱阻小的驅(qū)動(dòng)器封裝,并把散熱底座和線路板大面積地焊接在一起,通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)芯片與線路板的熱傳導(dǎo)效率、增加有效散熱面積來(lái)降低芯片的溫升,避免驅(qū)動(dòng)器高速工作時(shí)功能失效甚至燒毀驅(qū)動(dòng)器;建立了高速運(yùn)放電路的自激振蕩模型,探討了高頻工作下運(yùn)放自激振蕩的影響因素,并采用有效方法克服了自激振蕩;采用串