高帧频ccd相机驱动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高帧频CCD相机驱动装置，该高帧频CCD相机驱动装置包括图像传感器、驱动电路、时序发生器、信号采集处理电路、电源单元以及隔离保护电路；时序发生器依次通过隔离保护电路以及驱动电路接入图像传感器并向图像传感器提供驱动脉冲；时序发生器以及图像传感器分别接入信号采集处理电路；电源单元与时序发生器、驱动电路、图像传感器和/或信号采集处理电路相连。本实用新型提供了一种可充分发挥CCD的光电转换功能的高帧频CCD相机驱动装置。
【专利说明】高帧频CCD相机驱动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电学领域，涉及一种驱动电路，尤其涉及一种高帧频CCD相机驱动装置。
【背景技术】
[0002]C⑶面阵探测器在天文观测、空间遥感、光谱探测等光电成像领域得到了广泛的应用。而在如爆炸试验、碰撞试验、动物生态学研究等领域，高帧频面阵CCD成为关键组件，高帧频CCD应用技术研究十分重要。
[0003]面阵CCD具有一定的像元规模，需要驱动电路提供足够的驱动能力。电路的驱动能力要求足够的驱动电流，且完善的驱动方案是信号完整性的重要保证。CCD应用赖以正常工作的驱动信号的发生电路比较复杂，因此驱动电路的设计也就成为其应用中的关键问题之一。对于不同厂家生产的CCD其驱动时序不尽相同，即使同一厂家的不同型号的CCD其驱动时序也不完全一致。为了充分发挥CCD的性能，保证CCD可靠工作，必须设计出符合CCD正常工作的定时脉冲和驱动控制电路。只有当定时和驱动控制脉冲与CCD传感器配合良好时，才能充分发挥CCD的光电转换功能。
实用新型内容
[0004]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可充分发挥CCD的光电转换功能的高帧频CCD相机驱动装置。
[0005]本实用新型的技术解决方案是:本实用新型提供了一种高帧频CCD相机驱动装置，其特殊之处在于:所述高帧频CCD相机驱动装置包括图像传感器、驱动电路、时序发生器、信号采集处理电路、电源单元以及隔离保护电路；所述时序发生器依次通过隔离保护电路以及驱动电路接入图像传感器并向图像传感器提供驱动脉冲；所述时序发生器以及图像传感器分别接入信号采集处理电路；所述电源单元与时序发生器、驱动电路、图像传感器和/或信号采集处理电路相连。
[0006]上述时序发生器是基于可编程逻辑器件所形成的时序发生器。
[0007]上述可编程逻辑器件是FPGA或CPLD。
[0008]上述隔离保护电路采用八总线接收发送器所形成。
[0009]上述八总线接收发送器是MC74VHC245。
[0010]上述驱动电路采用双路反向驱动集成电路。
[0011]上述双路反向驱动集成电路是EL7212或EL7457。
[0012]上述电源单元包括电源输入端、电压调整器以及电源输出端；所述电源输入端通过电压调整器接入电源输出端；所述电源输出端与时序发生器、驱动电路、图像传感器和/或信号采集处理电路相连。
[0013]上述电压调整器是三端子可调稳压器。
[0014]上述三端子可调稳压器是正电压稳压器或负电压稳压器；所述三端子可调稳压器是正电压稳压器时，所述正电压稳压器是LM117或LM317 ;所述三端子可调稳压器是负电压稳压器时，所述负电压稳压器是LM137或LM337。
[0015]本实用新型的优点是:
[0016]本实用新型提供了一种闻巾贞频(XD相机驱动装置，为闻巾贞频(XD驱动时序广生提供了硬件实现和逻辑编程的有效方法，为降低硬件复杂程度、提高代码效率提供了更好的借鉴。隔离和保护电路的设计有效的将时序电路和驱动电路隔离，降低了静态电流的影响，并且保持了电路的低功耗。该驱动电路可为高帧频CCD提供大压摆、高频、完整的驱动信号，从而能够充分发挥CCD的光电转换功能。采用以上提出的驱动电路，结合FPGA内部RAM进而可以实现驱动时序、控制时序和数据缓存一体化的设计，可有效简化CCD相机内部电路，增强电路的稳定性和可靠性，提高了系统的集成度和性价比。在相同帧频的条件下，采用以上的驱动电路，CCD光电转换效率、信噪比得到了有效改善。本实用新型的目的在于提供一种针对高帧频CCD应用的驱动电路，设计出符合CCD正常工作的定时脉冲和驱动控制电路。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型所提供的高帧频CXD相机驱动装置的组成框图。
【具体实施方式】
[0018]参见图1，本实用新型提供了一种高帧频CXD相机驱动装置，该装置从功能上可分为以下三个部分:时序脉冲产生单元，时序驱动单元以及电源和偏置电压单元，三部分关系框图如附图1。
[0019]其中，时钟脉冲产生单元:
[0020]帧转移CCD工作时电荷由感光区转移到存储区，再由存储区逐行转移到读出寄存器顺序读出。
[0021]时序脉冲产生电路包括加在感光区的三相时钟脉冲A1、A2、A3，加在存储区的三相时钟則、82、83，加在读出寄存器的三相时钟(:1、02工3，清除残留电荷的复位脉冲1?1'，箝位脉冲CLAMP。
[0022]根据CXD器件像元垂直转移频率的限制，以及CXD所分的子阵列数目确定感光区的三相时钟脉冲(Al、A2、A3)、存储区的三相时钟(B1、B2、B3)和读出寄存器的三相时钟(Cl、C2、C3)频率，确保其与数据输出频率匹配，满足帧频设计要求。
[0023]曝光阶段加在感光区的三相时钟为固定电平，即A1、A2、A3电平分别为0、1、0。存储区和水平移位寄存器则相互配合完成行转移，由存储区时钟先向下移动一个周期，即存储区的一行像元转移到水平移位寄存器，再由水平移位寄存器时钟完成子阵所有像元的串出。
[0024]三相交叠脉冲的产生用VHDL语言实现时序，设计利用12进制计数器，用分支控制语句CASE将12个主时钟脉冲内三相脉冲的电平值刻画出来。
[0025]电荷的转移是通过三相控制电压按一定顺序依次变化来实现的。此处，进行电荷转移时，三相控制时序依次变化。三相信号不变时，为阻断态。为保证信号电荷的完整转移，各相时序间必须保证一定的电平交叠。
[0026]并行输出的帧转移CCD根据像元被分成多个子阵列，每个阵列占η(列)Xm(行)个像素单元，各子阵列并行工作。电荷由感光区转移到存储区，再由存储区逐行转移到读出寄存器顺序读出。各子阵列有各自独立的读出寄存器和CDS放大器。信号的输出方式是各个端口并行输出。
[0027]根据所需设计CCD相机的帧频，确定水平转移数据(包括像元数据和辅助数据)需要的时钟频率。具体计算方法是最小时钟频率=(总像元数+辅助数据)/帧周期，此频率即为数据输出频率。
[0028]对于时序驱动单元:
[0029]高帧频CCD功率驱动电路的要求是在较大电压摆幅情况下在快速的变化沿时能够提供足够大的瞬态驱动电流。因此CCD功率驱动器的温度往往较高，选择器件时要选择工作电流足够大的器件以满足要求。
[0030]时钟驱动芯片采用双路反向驱动集成电路，如EL7212应用频率范围可达到1MHz,以及较高频率的驱动器EL7457应用频率范围可达到40MHz。更高帧频的驱动电路也可以由分立元件搭建而成。
[0031]本实用新型所采用的时序驱动电路所用的时钟驱动芯片EL7212改进了 DS0026，是双路反向驱动集成电路，应用频率范围可达到10MHz。然而针对EL7212不能胜任的高频率的驱动器的需求,又出现了 EL7457 (最高频率可达40MHz)，更高帧频的驱动电路也可以由分立元件搭建而成。
[0032]电源和偏置电压单元:
[0033]电源部分采用开关电源，结合电磁兼容性设计。开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、稳压范围宽的优点。
[0034]DC/DC除了完成电压变换，还要进行差模、共模、输入、输出滤波，从而为负载电路提供稳定的电源。
[0035]由于DC/DC输出的电源会有f禹合噪声，电源单兀所需的工作电压、偏置电压,均需要经电压调整或分压得到。
[0036]电压调整器件米用三端子可调稳压器，如正电压稳压器LM117、LM317和负电压稳压器LM137、LM337。三端子可调稳压器需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
[0037]LM117的输出电压计算公式如下:
[0038]'.ν.τ = 1.2SV 11 —rp} — R.^
… Rl- — ■
[0039]LM137的输出电压计算公式如下:
[0040]VVbJT: mmLZSV ( I — T^)
' κ?'
[0041]隔离保护电路
[0042]由时序发生器产生的驱动时序经由隔离保护电路至时钟驱动芯片。通过隔离保护电路可以有效的隔离总线，形成对输入端的保护，消除静态电流的影响。隔离保护电路可釆用集成芯片实现，如MC74VHC245或具有相同功能的同类芯片实现，也可由分立元件搭建而成。
[0043]本实用新型所提供的一种高帧频的CCD驱动电路不仅包含了图像传感器、驱动电路、时序发生器、信号采集处理电路、电源单元、电子接口电路、光学机械接口，还包含了相应的隔离保护电路。
[0044]由时序发生器和驱动电路构成的驱动器向图像传感器提供驱动脉冲；时序信号发生器产生CCD驱动时序，同时产生信号处理电路所需的功能性时序信号，如钳位、同步、消隐、采样/保持等时序信号；CCD时序发生器由可编程逻辑器件实现，可编程逻辑器件可以采用FPGA或CPLD。这种方法的器件集成度高，电路板面积小，频率也可以很高。CXD时序发生器产生的时序包括加在感光区的三相时钟脉冲Al、A2、A3，加在存储区的三相时钟B1、B2、B3，加在读出寄存器的三相时钟C1、C2、C3，清除残留电荷的复位脉冲RET，箝位脉冲CLAMP。
[0045]由FPGA或CPLD产生的驱动时序经过了隔离和保护电路后进入驱动电路，从而有效的减小了静态电流对信号的影响。隔离和保护电路可采用八总线接收发送器MC74VHC245或具有相同功能的同类芯片实现，也可由分立元件搭建而成。
[0046]CCD时序发生器的作用不仅仅是向CCD驱动电路提供所需的驱动时序波形，同时所采用的FPGA或CPLD含内部RAM，可满足多路图像数据的缓存，从而实现时序发生器和图像缓存的一体化，提高了系统的集成度和性价比。
[0047]图像传感器感光区、存储区和读出寄存器的三相交叠脉冲是利用了 12进制计数器，并采用VHDL语言中分支控制语句CASE将12个主时钟脉冲内三相脉冲的电平值刻画出来。
[0048]时钟驱动电路采用双路反向驱动集成电路，如EL7212应用频率范围可达到1MHz,以及较高频率的驱动器EL7457应用频率范围可达到40MHz。更高帧频的驱动电路也可以由分立元件搭建而成。
[0049]器件所产生的驱动信号采用了如下几种方法，从而使其减小了传输延迟、反射噪声、串扰噪声，极大的提高了信号的完整性。
[0050]I)驱动信号的走线末端增加电阻或者排阻作为阻抗匹配电阻，从而消除反射信号对有用信号的影响。
[0051]2)驱动信号采用蛇形走线或者螺旋走线的方式，保证驱动信号的走线长度匹配，消除传输延迟以及线间串扰对驱动信号的影响。
[0052]电源单元所需的工作电压、偏置电压，均由二次电源经电压调整或分压得到。电压调整器件采用三端子可调稳压器，如正电压稳压器LM117、LM317和负电压稳压器LM137、LM337，可以为系统提供过载保护、安全区保护等多种保护，确保系统长期稳定工作。结合外部滤波电容的应用，可以有效的滤除外部干扰引起的电压波动，将电源对CCD器件的影响降到最低。
[0053]在实现闻巾贞频CCD的图像米集系统的时候，最大的困难和瓶颈就是闻分辨率造成的超大数据量处理和传输。于是在应用领域提出并采用了并行处理的方法，本实用新型针对高帧频并行处理的帧转移CCD器件，提出一种驱动设计方法。当各芯片的数据吞吐能力相匹配时，整个系统可以发挥出最大的功效和具有最好的性价比。
[0054]CCD相机在应用领域内的【技术领域】，特别是一种关于高帧频CCD相机在驱动方法中应用到的驱动时序产生、时钟驱动电路、电压调整电路等的完整解决方法。
【权利要求】
1.一种高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述高帧频CCD相机驱动装置包括图像传感器、驱动电路、时序发生器、信号采集处理电路、电源单元以及隔离保护电路；所述时序发生器依次通过隔离保护电路以及驱动电路接入图像传感器并向图像传感器提供驱动脉冲；所述时序发生器以及图像传感器分别接入信号采集处理电路；所述电源单元与时序发生器、驱动电路、图像传感器和/或信号采集处理电路相连。
2.根据权利要求1所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述时序发生器是基于可编程逻辑器件所形成的时序发生器。
3.根据权利要求2所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述可编程逻辑器件是FPGA或CPLD。
4.根据权利要求1或2或3所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述隔离保护电路采用八总线接收发送器所形成。
5.根据权利要求4所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述八总线接收发送器是 MC74VHC245。
6.根据权利要求5所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述驱动电路采用双路反向驱动集成电路。
7.根据权利要求6所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述双路反向驱动集成电路是EL7212或EL7457。
8.根据权利要求7所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述电源单元包括电源输入端、电压调整器以及电源输出端；所述电源输入端通过电压调整器接入电源输出端；所述电源输出端与时序发生器、驱动电路、图像传感器和/或信号采集处理电路相连。
9.根据权利要求8所述的高帧频CXD相机驱动装置，其特征在于:所述电压调整器是三端子可调稳压器。
10.根据权利要求9所述的高帧频CCD相机驱动装置，其特征在于:所述三端子可调稳压器是正电压稳压器或负电压稳压器；所述三端子可调稳压器是正电压稳压器时，所述正电压稳压器是LM117或LM317 ;所述三端子可调稳压器是负电压稳压器时，所述负电压稳压器是 LM137 或 LM337。
【文档编号】H04N5/372GK204013847SQ201420342702
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】刘美莹, 王虎, 汶德胜, 刘杰, 刘阳, 薛要克 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所