第
18
卷第
4
期
1997
年
8
月
半
导 ½ 光 电
Semiconductor Optoelectronics
Vol .
18
No.
4
Aug. 1997
CCD
驱动电路设计的新方法
刘光昌
陈 欣 黄 亮
(
暨南大学
,
广州
510632)
①
摘
:
要
本文详述了以往设计
CCD
驱动电路的三种方案
,
分析了各自的优缺
点
,
并提出了一种新的设计方法 。采用这种设计方法
,
电路简单
,
易实现 。给出了用
这种方法对
TCD1200D
驱动电路的具½设计实例 。
关键词
:
电荷耦合器件
驱动电路
单片机
可编程门阵列
中图法分类号
:
TN786 ; TP368. 1
A ne w method f or design of CCD driving circuit
L IU Guangchang CHEN Xin HUAN G Liang
( Jinan University , Guangzhou
510632
, CHN)
Abstract :Three
schemes for previous design of CCD driving circuit are discussed in
detail ,followed by analysis of t heir advantages and disadvantages. A new design met hod
wit h simple and easy implementation is proposed. A practical design of TCD1200D
driving circuit using t his met hod is given as an example.
Keywords :CCD
,Driving Circuit ,Monolit hic Microcomputer , GAL
1
引言
CCD
由于其高精度 、
高分辨率 、
性½稳
着
CCD
器件的进一步推广
,
同时也激起了不
少科技工½者的研究热情 。
定、
功耗½ 、
寿½长以及具有自扫描功½等特
点
,
已广泛用于摄像机 、
复印机 、
图文传真 、
文
字、
图像识别 、
自动精密测量等方面 。近十年
来
,CCD
像感应器的各项性½指标越来越
高
,
价格大幅度下降
,
成为现代光电子学和现
代测试技术中最活跃 、
最富有成果的新兴领
域之一 。
½是
,
由于
CCD
赖以正常工½的各驱动
信号的产生电路较复杂
,
其成品价格往往与
CCD
芯片的在同一个数量级
,
这极大地½响
①
1996 - 11 - 15
收稿
;1997 - 05 - 16
定稿
2
理论分析
从已发表的研究成果看
,
设计
CCD
驱动
电路大致有三种方法
:
CCD
产品说明书或经典著½
[ 1 ]
提供的
驱动电路图及早期实际½用的驱动电路几乎
全½是由普通数字电路芯片实现的 。它由主
振、
交迭脉冲产生 、
分频 、
译码以及驱动等部
分构成 。
CCD
芯片的早期产品
,
由于需要复杂的
三相或四相交迭脉冲
,
一般整个驱动电路需
20
个左右芯片
,
½积较大 、
成本高 、
设计也复
半 导 ½ 光 电
1997
年
8
月
232
杂。
不少研究者仔细研究了
CCD
产品说明
书提供的典型波½和说明
,
在对
CCD
工½½
响不大的前提下
,
修改脉冲波½以简化电路
设计
,
仅在一定程度上减少了芯片数量
,
½这
往往需要相½高的专业知识 。
第二个方案是用
EPROM
来产生
CCD
所需波½
[ 2 ]
。
在
CCD
的一行周期中含有多个
(
一般以
千计
)
移½时钟 。在一个移½时钟中各路信
号在不同的时刻发生变化
,
设计者将移½时
钟周期划分成若干个等时间间隔
,
称为状态
,
时钟波½电平变化发生在一定状态变化时
刻
,
这样一行就被分为上万个状态
,
各路信号
或
1
或
0 ,
构成一个状态的数据
,
依次装到可
擦除只读存贮器
EPROM
中
,
只要等时间间
隔地依次输出这些数据就½成
CCD
所需的
各路波½ 。
这一方案的设计思想十分显然
,
不论对
½种型号的
CCD ,
其硬件结构几乎不需要变
化 。只需按
CCD
的典型驱动波½图
,
将
E
2
PROM
输出数据与
CCD
信号相对应
,
以及将
波½化成状态数据就可以了
,
设计起来十分
简单 。
这种设计方法所需
EPROM
一般在
16 k
字节或以上 。由主振电路经计数器½成地址
信号 送 给
EPROM ,
其 数 据 输 出 经 驱 动 送
CCD
对应管脚 。
电路中比较复杂
,
需要考虑的主要有两
点
: ( 1)
因为
EPROM
需地址信号
14
½或以
上
,
不存在这么多½的同步计数器
,
如果用多
片同步计数器串联
,
也就不会同步了
;
如用异
步计数器
,
由于各½地址信号之间会有延迟
从而½得
EPROM
输出数据有
“毛刺”
。这要
在计数器与
EPROM
地址脚间加电路以½地
址信号同时到达
EPROM
或者在
EPROM
数
据脚后加锁存器
,
½得只有地址稳定后才锁
存输出数据
; ( 2 )
假定某
CCD
一行的状态数
以便将
“数据”
填满
16 k
字节
,
每
16 k
之后自
动复½
,
½这样会拖长一行的扫描时间 。另
一种方法是加一些电路½一行数据正常结束
时即在
8 k
后的某个地址时强制复½ 。
采用这种方案½成的驱动电路所需芯片
在
10
片左右 。
第三 种 方 案 是 用 单 片 机 输 出 驱 动 波
[3 ]
½ 。
由于绝大多数
CCD
应用系统½含有单
片机
,
这½有关
CCD
应用系统开发者十分自
然地考虑用单片机的并行锁存输出口输出所
需的驱动脉冲信号
,
再经驱动芯片接到
CCD
对应管脚上 。
这一方案与
EPROM
方案有些相似
, E
2
PROM
方案每改变地址就输出新的状态数
据
,
而此方案是用单片机的口输出指令改变
输出数据 。
这一方案的电路极其简单
,
只需单片机
加驱动芯片
,
而且只是部分地占用了单片机
的硬 、
½件资源
,
单片机同时还用于应用系统
的其它工½ 。
½是
,
这种方法产生的移½脉冲频率一
般难以超过
200 k Hz
。例如假定所½用单片
机机器周期为
1
μ
s ,
且假定一个移½周期含
8
个状态
,
那么即½是全部采用单机器周期
改变口输出数据
,
移½脉冲频率也只½达到
125 k Hz
。
此外
,
由于一个状态变到另一个状态往
往不只一½信号变化
,
即是说不½只用
CL R
或
SET
等 ½ 操 ½ 指 令
,
而 还 要 采 用
INC ,
D EC
等½引起两½或更多½变化的指令
,
这
就需要精心安排单片机输出的哪一½对应哪
一路驱动信号
,
甚至在单片机输出½间插上
无效输出½
(
即该½信号不送往任½
CCD
管
脚
) ,
然后再合理选用有关指令
,
特别是需要
充分½用单片机的单机器周期的口输出指
令 。这样在设计上显然比
EPROM
方案要复
杂。
这一方案对于
CCD
的一些简单应用系
统可½是适合的 。½是
,
单片机花在½成驱
只略大于
8 k ,
设计上要½用
16 k
存贮器 。
一种方法是人为地增加一行中的移½周期数
第
18
卷第
4
期
刘光昌等
:
CCD
驱动电路设计的新方法
233
动波½上是
“太累了”单片机执行的指令大
,
部分是用于产生这些驱动波½
,
只在两行间
过渡段对各路输出冻结一段时间
,
赶忙做点
对
CCD
视频输出进行处理等工½ 。
近年来
,
新型号的
CCD
芯片不断涌现
,
像元数增多
,
驱动脉冲频率增高
,
性½越来越
½
;
大多数在片内还集成了交迭脉冲发生电
路
,
片外驱动也只需
T TL
电平
,
给
CCD
驱动
器的设计和制½带来了很大方便 。例如天津
大学为新一代的线阵芯片
TCD1200D
设计
的驱动电路由一只晶振及五个数字芯片构
成。
在这种情况下
,
前述第三种方案由于所
½成的移½频率不可½太高而不适于频率较
高的新
CCD
芯片
;
而第二种方案
,
除了保留
设计简单的优点外
,
由于新型芯片像元数多
,
需要大容量的
EPROM ,
其电路的芯片数 、
½
积、 、
耗电 成本等½没有什么吸引人之处了 。
天津大学只用几只数字电路芯片就½成
了一个实用的
CCD
驱动电路
,
他们是在对厂
家提供的典型波½½了一些修改
(
特别是
F
SH
信号
)
后实现的
,
这需要相½的专业知
脉冲
,
F
SH
是行同步脉冲 。这是该芯片所需
的四路信号 。图
1
中
Q
是为½成行同步脉
冲而特意由数字电路½成的一个周期脉冲信
号。
图
1
用新方法设计的
TCD1200D
驱动波½图
Fig. 1
TCD1200D driving waveform designed
wit h t he new met hod
整个 驱 动 电 路 由 一 片 单 片 机
( A T89C2051)
与两片
GAL16V8
构成 。
GAL
的逻辑设计如下
:
Q
0
: =
Q
0
Q
1
: =
Q
1
・
0
Q
识 。½然
,
这已经够½人们振奋的了
,
我们仔
细观察 、
研究了天津大学的电路及其波½
,
设
计的难点主要是
F
SH
,
于是一种新的设计思
路产生了
:
用可编程器件½成
CCD
所需的
F
1
,
F
2
,
F
R
等周期性脉冲信号
,
而每½一行
+
Q
1
・
0
Q
Q
2
: =
Q
2
・
1
・
0
Q Q
+
Q
2
・
1
Q
+
Q
2
・
0
Q
Q
3
: =
Q
3
・
2
・
1
・
0
Q Q Q
结束时由单片机送出
F
SH
信号
,
这样可大大
简化驱动电路的设计 。
+
Q
3
・
2
Q
+
Q
3
・
1
Q
+
Q
3
・
0
Q
Q
4
: =
Q
4
・
3
・
2
・
1
・
0
Q Q Q Q
3
实验
图
1
是用新设计方法设计的
TCD1200D
驱动波½图 。
TCD1200D
含
2 160
个有效像元
,
有效
+
Q
4
・
3
Q
+
Q
4
・
2
Q
+
Q
4
・
1
Q
+
Q
4
・
0
Q
Q
5
: =
Q
5
・
4
・
3
・
2
・
1
・
0
Q Q Q Q Q
像元前后各有
64
及
12
个哑单元
,
所以每行
大于等于
2 236
个
F
R
周期即可
,
图
1
中所标
数字单½为微秒 。
图
1
中
F
1
,
F
2
是移½脉冲
,
F
R
是复½
+
Q
5
・
4
Q
+
Q
5
・
3
Q
半 导 ½ 光 电
1997
年
8
月
234
+
Q
5
・
2
Q
+
Q
5
・
1
Q
+
Q
5
・
0
Q
F
2
=
Q
5
F
R
=
Q
4
・
3
・
2
Q Q
Q
=
Q
5
・
4
+
Q
5
・
3
Q
Q
F
SH
=
P
・
Q
NOP
;
延时
0. 6
μ
s
NOP
;
延时
0. 6
μ
s
CL R P3. 7
;
输出
P
½电平
式中
,
・
表示与
, +
表示或
, -
表示非 。
单片机½用 的晶振为
20 M Hz ,
由于单
片机 内 含 振 荡 电 路
,
所 以 它 可 以 输 出
20
M Hz
的信号
,
用½
GAL
的
CL K
。
Q
0
,
Q
1
,
…
Q
5
分别为其
2
频
,4
分频 …
64
分频信号 。
Q
5
即为
F
1
,
其反相得到
F
2
。
TCD1200D
产品说明书对驱动波½设计说明
)
中要求
(
下称
“设计要求”移½脉冲
F
1
和
F
2
互为相反
,
最高工½频率为
1 M Hz ,
典型值
为
500 k Hz ,
现约为
310 k Hz ,
在正常工½范
围内 。
设计要求
F
R
脉½最小值
40 ns ,
典型值
为
250 ns ;
还要求其下降沿要在
F
1
或
F
2
的
下降沿之前至少
100 ns ,
典型值为
125 ns ;
现
这两个值均为
200 ns ,
满足要求 。
Q
是一个频率与
F
1
相同
,
其高½电平
各为
1. 2
μ
s ,2
μ
s
的周期信号 。
F
SH
是每隔大
于等于
2 236
个
F
R
周期取一个
Q
的正脉冲
½成的 。
在每一行完成
(
即上一帧
F
SH
后经历大
于等于
2 236
个
F
R
周期
)
时
,
由单片机查询
到
Q
为高电平就输出一个
3
μ
s
½的正脉冲
信号
(
即逻辑式中的
P
) ,
它与
Q
信号相与就
得到
F
SH
。
假定
Q
信号送往单片机
P1. 7 ,
而
P
信
号从单片机
P3. 7
输出
,
则单片机输出
P
部
分的编程如下
:
J NB P1. 7 ,
＄
;
Q
不为高电平时再重复
单片机½用
20 M Hz
时钟
,
一个机器周
期
0. 6
μ
s ,
单片机查询到
Q
为高电平的时刻
到实际输出
P
高电平的时刻需两个机器周
期即
1. 2
μ
s ,
由于
Q
的高电平½度只有
1. 2
μ
s ,
故可知
P
信号的前沿一定在
Q
为½电平
的状态
,
且
P
信号
( 3
μ
s
½
)
正½包容一个
Q
的高电平状态
,
P
・ 就恰为一个
Q
正脉冲
,
Q
这就是所½成的
F
SH
。
设计要求
F
SH
必须被包容在
F
1
之中 。
由于
F
SH
是
Q
5
(
即
F
1
)
经一定逻辑关系才½
成的
,
所以其前沿一定滞后于
F
1
;
而其后沿
(
参见
Q
的后沿
)
又超前
F
1
的后沿约
0. 4
μ
s ,
故满足要求 。
本设计中½用
GAL
芯片
,
其管脚可灵活
方便地定 义
,
½ 电 路 紧 凑
,
连 线 十 分 简 单 。
GAL
还有足够的驱动½力
,
不需另加驱动芯
片便可驱动
CCD
。
单片机所用晶振及片内振荡电路被借用
于驱动波½½成电路
,
不需专门另用一套电
路 。而且驱动电路与单片机共用晶振
,
有同
步关系
,
对单片机的一些工½还会带来½处 。
这样的设计只用了三片芯片
,
而且
GAL
约有
3/ 4
片富½
,
可用于应用系统中其他的
数字电路
;
该驱动电路对单片机在硬件上只
占用
2
½信号线
,
½件上在每一帧
(
毫秒量
级
)
只占用几条指令
(
微秒量级
)
的工½
,
可谓
是单片机
“附带”
就完成了驱动
CCD
所需的
工½ 。
4
结论
这一设计已用于高精度测量系统中
,
装
½十分紧凑 、
微型化
,
已用于广东省高校开放
性教学提高型重点实验室中½为现代化光电
子技术的一个实验
,
供本科高年级学生或研
究生及其他高校教师学习 。
这种设计方法简单 、 、
灵活 设计思想十分
查询
SETB P3. 7
;
输出
P
高电平
NOP
;
延时
0. 6
μ
s
NOP
;
延时
0. 6
μ
s
第
18
卷第
4
期
刘光昌等
:
CCD
驱动电路设计的新方法
235
清晰
,
对于任½型号的
CCD ,
用这一设计思
想½可以很方便地完成其驱动电路的设计 。
参
考 文 献
1
王庆有
,
孙学珠
. CCD
应用技术
.
天津
:
天津大学
刘光 昌 男
, 1946
年
7
月出 生
, 1969
年 毕 业 于
北京大学无线电电子学
系 。
1981
年在中½计量
科学研究院获硕士学½ 。
现为暨南大学教授
,
广东
省单片微型计算机学会
副理事长 。他的主要研究方向是微型计算机
接口技术及其应用 。近年来已发表科研论文
30
½篇 。
出版社
,1993 :67
2
张永林
,
熊爱民
.
衍射法测量细丝直径的
CCD
系
统
.
暨南大学学报
,1995 ;16 ( 3) :56
3
张永林
,
½志军
. CCD
微型线度测量仪的研制
.
光学技术
,1994 : ( 6) :40
(
上接第
230
页
)
2
柳兆洪
,
孙书农
,
王½姜等
.
用溅射法制备硫化锌
5
王½姜
,
柳兆洪
,
陈振湘
.
掺铒硫化锌薄膜界面态
及其对弛豫发光½响的研 究
.
电 化 学
, 1995 ; 1
( 3) :348
½
352
薄膜的探索
.
厦门大学学报
(
自然科学版
) ,1997 ;
36 ( 1) :52
½
56
3
陈振湘
,
柳兆洪
,
刘瑞堂等
.
用
XPS
法研究硫化
锌薄膜
.
固½电子学研究与进展
, 1996 ; 16 ( 3 ) :
297
½
301
4
Cabrera A L , Karwacki E J , Kirner J F. Surface
analysis of copper , brass ,and steel foils exposed to
fluorine containing atmosp heres. Journal of Vacuum
Science & Technology ,1990 ;A8 ( 6) :3 988
½
3 996
陈谋智
,1954
年
2
月生
,
男
现任厦门大学物理系讲师 。
从事微机应用教学和科研工
½。
京公网安备 11010802033920号
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