线阵CCD测径系统电路设计

1、线阵CCD测径系统电路设计摘要：研究了线阵 CCD 测径系统的硬件设计。从 CCD 传感器的电荷产生、转移原理入 手，针结 CCD 传感器的信号特点进行系统硬件设计，完成 CCD 的驱动电路、信号放大 电路、 A/D 转换电路、数据存储电路及与计算机的数据通信，将 CCD 表面的亮度变化再 现于计算机上。测试结果表明，该系统成功实现了 CCD 的光电转换、串行数据输出、数 据采集与显示，能够用于工业生产中的长度测量。关键词： CCD 传感器 相关双采样 像素 势阱自二十世纪 80 年代开始，摄影技术出现了革命性的突破， 即电荷耦合器件 CCD（Charged Coupled Device ）的

2、广泛应用。目前， CCD 技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技 术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域， CCD 成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的 需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研 究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具； CCD 具有成本低、小而 轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域， CCD 在工件尺寸测 量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。在生产实际中，许多场合需要对一维尺寸进行测量，例如对

3、带、管、条等的测。采取传 统的先加工后测量的方法，劳动强度大，信息反馈慢，直接影响了线材的质量和生产效 益。因此，必须有一套高精度的实时在线检测系统，一方面可使生产人员及时了解线径 的大小及偏差，一方面给生产机构伺服系统提供正比于偏差的反馈量，实现反馈控制。本课题研制了一套用线阵 CCD 对线材直径进行非接触实时测量的系统， 可应用于工业生 产中。1 CCD 电荷的产生、转移原理CCD 是由一系列排得很紧密的 MOS 电容器组成，每一个光敏像元就是一个 MOS 电容 器。它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。1.1 CCD 光电转换当在 MOS 电容器的栅极上加上一个小的正

4、电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离 栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽层将进一 步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因 此也叫做势阱1。正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子 -空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电 子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样 势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。1.2 CCD像素输出CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电

5、压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定 向运动。线阵CCD电荷包只单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行 像素的水平移动，直到所有像素全部输出。i H *6*js m rn h2线阵CCD没径系统硬件设计本测径系统具有以下特点：（1）采用CCD为EG&G RETICON 公司的RL512EC/17线阵传感器芯片；（2）采用高集成度的XC9572PC44芯片产生系统所需的驱动和控制时序逻辑；（3）由外部PC机编程实现对CCD积分、时间、大小和数据采集工作过程的控制；（4）应用了内带采样保持的8位高速并行输出A/D芯

6、片TLC5510进行模数转换;（5）通过计算机串口实现对数据信息的传输系统结构原理框图如图1所示 系统具体的工作过程：由CPLD产生CCD传感器所需的工作时序，再经时钟驱动电路 产生时序和偏置都满足CCD要求的信号，驱动CCD输出模拟视频信号；该信号经放大、A/D转换得到8位数字信号存储于 CPLD中，再经芯片NS216C552和MAX202转换为 串行数据，输入计算机进行显示。CPLD芯片内部分为两部分：一部分是视频信号处理控制时序发生器， 它提供CCD视频 信号处理（如A/D转换、数字信号存取等）所需的各种同步控制时序；另一部分是 CCD 驱动时序发生器。2.1时序信号发生电路本文采用的C

7、CD传感器为EG&G RETICON 公司的RL512EC/17线性传感器，具有512 个有效像素，像素信号输出方式为串行视频输出。该传感器具有高分辨率、高灵敏度、 低噪声、低功耗的特点，最大扫描频率 10MHz。hl 片 mnmnnmrnrrnm“ -TJ1*口 fLTjvULT牡厂LTLrLrmrLrLnrL vmpn |T(YYVrCC用2 HD将掘丹的時ftRL512EC/17各驳动信号及输出信号时序如图 2所示。驱动CCD所需的信号由CPLD编程产生，本系统采用一片 XC9572PC44F芯片实现时 序发生器的功能。该系列芯片是 Xilinx公司典型的可通过JTAG在线编程的

8、CPLD器件3。首先由CPLD产生符合时序要求的初始驱动信号 TTL clk和TTL start，这两路信号必须 经后面的偏置电路处理后才能得到最终的驱动信号s、©1、2©。因为TTL clk和TTL start均为TTL电平，低电平0V，高电平+5V，而CCD要求的驱动信号为低电平-7V，高电 平+5V，必须进行电平转换：TTL start信号驱动三极管，该三极管发射极和集电极分别 接+5V和-8V，得到CCD所需的高电平+5V，低电平-7V的开始信号s；同时TTL clk经 74LS74触发的两路反相时钟通过 DS0026芯片变换为高电平+5V、低电平-7V的两路时 钟

9、信号©1、2©。DS0026专用电平转换芯片，输出电平与外接电压电平一致，高低压差 最大 20V4。直接驱动RL512EC/17的信号共有三个：开始信号s，互为反相的两路时钟信号 ©12©。 开始信号s为低电平的时间就是传感器的曝光时间，由软件编程控制。S为高电平时进行电荷转移，此时每一个©1、2©周期CCD就向外电路输出一个像素，该像素值就是图 2中的VIDEO信号。所有像素移出后，EOS信号输出一个低脉冲，该信号用于测试。s脉冲用来初始化每一次扫描，两次 s负脉冲之间的间隔就是一次扫描的时间tL，该时 间必须满足（N+2） /?

10、< tL < 40ms其中?s为扫描频率，N为像素数512。不大于40ms 是为了保证积累的暗泄漏电荷不超过输出信号饱和值的1% （CCD输出电荷 的饱和值为4pC，泄漏电荷在室瀑下为1pA，经40ms积累得到0.04pC的泄漏电荷）。本文采 用？s=2.5MHz,tL=40 ys。2.2视频信号放大、采样电路CCD输出的视频模拟信号比较微弱，必需经过放大后才能进行A/D转换。由于CCD输出的信号电压为负值，在放大的同时要将其转换为正值，因此笔者将运算放大电路设计 为反相放大的形式。另外，该CCD为电流输出，运放反相端的接地电阻必须较大，否则 CCD输出的微弱电流将不会引起电压的明

11、显变化。本系统采用的CCD要求运算放大器在扫描频率（本文为2.5MHz ）时的闭环增益至少为40dB。在电路设计中，选 用了 AD8009运算放大器。放大后的模拟信号必须进行模/数转换才能进行下一步的存储、显示。在该系统的设计中， 选用8位高速并行的A/D芯片TLC5510完成A/D转换工作6，其内部自带采样保持电 路，这在一定程度上简化了外围电路的设计。TLC5510的转换速率（20MHz ）完全可以满足CCD （2.5MHz ）的工作要求。A/D转换的时钟信号和使能信号由 CPLD产生。采 样后的数据存储于 CPLD 中。2.3 I/O 电路考虑到本文使用的线阵 CCD 数据量较小、 速率

12、较低，采用串口与计算机进行通信能够满 足 CCD 与计算机间的数据通信需要。 NS16C552 和 MAX202 芯片组成的串口电路与 CPLD 连接，将 CPLD 送出的并行数据转换为串行输出，像素住处便可传送至计算机进 行处理、显示。3 测试结果在对该系统软硬件设计和测试成功后，将采集到的数据传入计算机，根据这些数据恢复 出 CCD 传感器表面不同位置的亮度。 光源分别在 CCD 遮盖半边、 遮盖中间以及从 CCD 的一侧斜射的情况下照射，将采集的数据进行亮度仿真，具体的仿真结果如图 3 所示。仿真结论：( 1)仿真结果显示的明暗变化能够准确反映 CCD 表面的光照情况。(2)在(a)、(b)两图中，部分与光照部分之间存在亮度过渡区。这是由于 CCD本身 的感光单元有一定间距，加上照明光源在视场内光强分布的不均匀性， CCD 本身的光敏 不均匀性( PRUN )、转移损失，以及光源在通过待测目标边缘时的衍射现象等原因， 使得 CCD 输出包络的边缘必然带有明显的梯度。或者说，目标尺寸的两上边缘在 CCD 上成像的具体位置不可能十分确定， 导致 CCD 输出信号波形在轮廓边缘处有一渐缓的过 渡区，而且这一过渡区随着轮郭的视场中位置的变化而变化。