基于FPGA的线阵CCD驱动设计+源代码(4)
转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压(电流)的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测的线性、检测的增益和检测引起的噪声。针对不同的使用要求，有几种常用的检测电路，如栅电容电荷积分器、差动电路积分器以及带浮置栅和分布浮置栅放大器的输出电路。
2.2 线阵CCD 简介
CCD器件按其感光单元的排列方式可以分为线阵CCD和面阵CCD两种类型。其中线阵CCD其结构简单，制造成本较低,可以一次储存一行图像信号。线阵CCD的单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度下，线阵CCD测量范围可以做的较大，并且由于其实时传输光电变换信号和扫描速度快、频率响应高等优点，可以实现动态测量，并且能在低照度下工作，所以线阵CCD广泛地应用在各种产品尺寸测量和分类、条形码扫描等领域。
线阵CCD有两种基本形式。分别为单沟道线阵CCD和双沟道线阵CCD。
2.3.1 单沟道线阵CCD
由图2.4可见，光敏元阵列与转移区一移位寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡。这种器件的光积分周期里，光栅电极电压为高电平，光敏区在光的作用下产生光生电荷存于光敏MOS阵容势阱中。
图2.4 单沟道线阵CCD结构
当移位脉冲到来时，线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到CCD移位寄存器中，最后在时钟脉冲作用下一位一位地移出器件，形成视频脉冲信号。这种结构的CCD转移次数多，效率低，只适用于像敏元较少的摄像器件。
2.3.2 双沟道线阵CCD
双沟道线阵CCD具有两列移位寄存器A和B，分别位于像敏阵列的两边，如图2.5所示。当转移栅为高电平时(对N沟道器件)，光积分阵列的信号电荷包同时按箭头所示方向转移到对应的移位寄存器中，然后在驱动脉冲的作用下分别向右转移，最后以视频信号输出。显然，同样像敏单元的双沟道线阵CCD比单沟道线阵CCD的转移次数要少一半，它的总转移效率也大大提高，故一般高于256位的线阵CCD都是双沟道的。
图2.5 双沟道线阵CCD结构
3 CCD驱动电路分析
3.1 数据采集电路分析与传输
CCD采集到的数据经放大器放大、AD模数转换后交由ARM7传输给PC机。硬件包括线阵CCD芯片TCD1703C，FPGA，基于ARM7微处理器LPC2148,12位高速模数转换器AD9238，可变增益放大器AD8332等。整个数据采集系统如图3.1所示。
图3.1 数据采集系统
3.2 CCD驱动电路的设计
3.3.1 CCD器件TCD1703C特性
适合用于光谱采集的线阵CCD的几个参数特征如下：
• 光谱响应范围宽；
• 动态范围较大；
• 噪声低；
• 暗电流小；
• 灵敏度高；
• 像敏元均匀性好。
本设计采用的线阵CCD为TCD1703C。TCD1703C为TOSHIBA公司生产的一种有效像元数为7500的双沟道二相线阵CCD，其像敏单元尺寸为长7μm,高7μm,中心距亦为7μm，像敏区总长为52.5mm，分为奇、偶输出信号，每个输出有3750个像元，哑元72个，内部采用保持电路，最佳工作频率1MHz，工作电压为单一的5V，具有高灵敏度、低暗电流的特点。
TCD1703C的原理结构如图3.2所示，中间的7500个有效像素单元分奇、偶两列转移并分别由OS1和OS2端口输出；驱动脉冲由两相时钟脉冲Φ1和Φ2、转移脉冲ΦSH、复位脉冲ΦRS、钳位脉冲ΦCP构成。其中钳位脉冲使输出信号钳制在零信号电平上。这些信号均由CCD驱动时序发生器产生。从结构上可以分为以下几个部分：光敏区、转移区、模拟移位寄存器、信号读出缓存等。中央光敏阵列共有3825个光电二极管，实际有效的光敏单元为中间的3750个光电二极管。光敏元的两侧是用作存储光生电荷的MOS电容阵列，MOS电容阵列的两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿单元构成。