CCD芯片各功能原理.doc

1同步方式在电视制式确定之后，必须有同步信号去保证正确的电视扫描关系。在每台摄像机内部都有自己的振荡器频率标准且按此频率标准产生同步定时信号，为各个部分电路提供同步的控制和驱动信号。当没有多台摄像机共用后接视频设备时，就只需利用自有的同步信号进行工作，这就是工作在“内同步”状态。如果多台摄像机同时工作，而要求图像同步切换，后接设备又没有同步跟综能力，就会出现显示画面不同步的现象，这就要求从同步信号发生器或相关设备的“SYNC OUT”接口端接入统一的同步信号到摄像机的“SYNC IN”。接“SYNC IN”端口的信号，是一个合成的同步信号，含有奇数场和偶数场的同步信息以及行同步信息，常常是0V5V的信号电平。在外接“SYNC”同步的情况下，摄像机即从外同步输入端口中获取并分离出各部分所需的同步定时信息。由于各个摄像机的同步信息来自于外接的同一个同步信号发生器，从而保证了各个摄像机的画面的严格的同步关系。一般在电视监控系统中，需要使用外同步工作的情况不多。比如在多个摄像机共用多画面分割器的场合下，由于现在的多画面分割器产品采用了有较强的同步能力的锁相跟踪电路技术，也不会出现画面失步现象。在矩阵开关切换的主机中，电视信号在其中只有转接的作用，对各路电视信号没有同步的要求。虽然如此，有许多型号的CCD摄像机，还是备有外同步输入端口，具有外同步工作的功能。还有一些摄像机具有(LL)“电源锁定”功能，也就是说，只要把这些设备都用同一个交流电源供电，就可以实现同步的要求。当然，摄像机也要有交流电源供电。2自动增益控制（AGC）摄像机摄像时，其环境的照度并非恒定不便，室内室外不同，一年四季，一天早晚都不同。为了在监视器观看时，尽可能保持在一定的亮度范围内，因此对亮度信号的处理就不能用一个固定倍数的放大器，而需要根据情况随时自动控制放大量，这就是所谓的自动增益控制（AGC）。一般在AGC放大电路中，电压增益注在0dB30dB左右变化。如摄取一片白场（白色的场景），CCD输出信号很强，放大器就处于最小增益状态。当将镜头光圈关闭，CCD信号很弱（仅有暗电流）时，放大器增益就自动处在最大状态。在有些摄像机中，设置了三个位置的AGC开关，有断开（OFF）、最大增益高（AGC Hi）和最大增益低（AGC Lo）三种状态。在摄像机信噪比的检测中往往注明AGC的状态，如断开，则是增益最小的，此时放大噪声也小。如AGC是接通的，则摄像机摄白场还是黑场，噪声大小也有差别。 注电压增益，也就是输出电压与输入电压比是放大增加了（增益为正）或是衰减缩小了（增益为负）。电压增益Gv用分贝（dB）来表示：Gv=20logVoVin dB3电子光圈电子快门及自动光圈镜头控制接口如前所述，AGC可控制放大器的放大倍数，使摄像机适应环境照度的变化。但AGC可控制的范围，远不能满足环境照度动态变化范围的需要。还要从另外两条途径去加以解决： 调整CCD像素积累感生电荷的时间，从而控制电荷量，相当于照相机的底片以快门时间控制曝光量； 调整镜头的光圈，改变相对孔径，控制CCD感光面上光通量的大小，这种调整可由摄像机对带自动光圈的镜头进行控制来完成。电子光圈或是电子快门，就是方法的具体实现。图13-20是对电子快门工作原理的说明。图13-20 电子快门原理图13-20（a）表示CCD电荷包在一般Vsub电压下，不向基片衬底洩流。当加有Vsub脉冲电压时，CCD像素中积累的电荷即向基片衬底排放，vsub消失又重新开始积累光敏感生的电荷，如图13-20（b）。只要有Vsub脉冲输入，CCD就不停的在积累和洩放。因此，它可能的最小积分时间就是Vsub的间歇时间，而最大就是读出脉冲的间隔时间。调节停止输入Vsub脉冲的时间，也就调整了积分的起始时间，最后CCD的输出幅度也得以相应的改变。Vsub脉冲由定时控制IC产生，它可以完全被停止输出，也可以以“电子光圈”或“电子快门”模式被控制停止输出。“电子光圈”模式的原理是将与视频信号相关的一路信号经放大积分为一直流电平，将该电平送入比较电路，比较电路设置了两个门限电压VDN和Vup（见图13-21），门限电压之间的区间，是放电脉冲Vsub停止输出的时间不变或很小改变的区间。积分放大的直流电平处于这一区间内，视频信号输出幅度将基本不变，电视图像保持在最适合观察的状态。这一区间的设置当然是越窄越好，但由于比较电路工作有一定误差，这一区间应大于电路误差的容限。当电压VDN时，比较器1输出控制使时间t(见图13-20)加大，相当于使快门速度降低，增加曝光时间；当电压Vup时，比较器2输出控制使t减小，相当于使快门速度提高，减少曝光时间。由于这一闭合环路的自动控制，保持了视频信号输出在一个比较理想的幅度。如果不是用这种自动“电子光圈”的模式，也可以手动选择设置积分时间t，这就是“电子快门”的工作模式。这种模式与“电子光圈”机制是相同的，只是此时与视频信号没有直接联系，也没有上下门限的设置，只需以手动拨码方式选择快门时间。常常以N位二进制编码，将最长与最短时间之间分2N挡设置。 输入到电子光圈积分放大的信号（见图13-21），同样可以用来控制带有自动光圈控制功能的镜头，根据视频信号的大小，改变镜头的孔径，控制入射光通量。因此，许多摄像机都备有这一接口。在有关镜头的部分还将进一步介绍。图13-21 电子光圈功能示意图4背景光补偿（BLC）在近年问世的中高档CCD摄像机中，不论黑白的还是彩色的，大都具有背景光补偿(BLC)功能。所谓BLC，实质为根据图像的亮度，恰当的调整摄像机的增益和CCD的电荷积累时间（同电子光圈的作用）。不过这时所测的亮度，不是整幅图像的平均亮度，而是选定的某些部分（“窗口”）的亮度。控制背景光补偿的窗口脉冲的位置和宽度（图13-23），对视频检测信号（它影响自动增益电路，见图13-22）和电子光圈信号作开关控制即实现了BLC功能。图13-22是一种实现BLC功能的原理图。窗口脉冲控制的测光模式，如图13-23所示，希望画面观察哪部分最清晰，就选择斜线部分与之对准的那种窗口类型，排除其他部分背景明暗的影响，而保持感性趣的部分有恰当的