引言
目前﹐數碼相機技術進步很快，朝著高解析﹑高ISO、多功能、超薄、超小、防水、防震等方面不斷發展。但其中，數碼相機拍出的照片圖像質量才是最重要的﹐圖片的成像質量與鏡頭、CCD﹑DSP等等均有關聯，特別是影像處理部分硬件方面的設計尤顯關鍵。
本文所說的影像處理部分硬件包含以下幾個部分。(見圖1)
關鍵元器件的選擇
(1)CCD光電耦合器
CCD的總類較多﹐按濾光片的顏色分有原色CCD及補色CCD，原色CCD濾光片按綠藍﹑紅綠方式排序，補色CCD濾光片按洋紅綠﹑青黃方式排序。基本上，原色CCD的色彩還原性好但靈敏度差﹐補色CCD的色彩還原性差但靈敏度好﹐一般數碼相機使用原色CCD的較多。按電荷的轉移方式分有全幀轉移設計(FT)CCD﹑行間轉移設計(IT)CCD﹑幀行轉移設計(FIT)CCD。FT CCD器件面積較大，價格較低;IT CCD面積最小﹑價格最低;FIT CCD面積最大﹐價格最高﹐綜合考慮﹐一般家用普通數碼相機均使用IT CCD。
首先﹐根據相機的設計要求決定CCD使用多少的像素﹐再根據與鏡頭的搭配性確認其合適的尺寸﹐并仔細了解CCD的規格書﹐重點確認飽和輸出及靈敏度的值(如圖2 )﹐選用值大的產品。簡單來說﹐CCD就是將光信號轉化為電信號的器件(如圖3)。
(2) IC AFE
AFE模擬前端，TG時序發生器，CDS關聯雙倍取樣器，通常與CCD驅動、ADC等整合在一起，組成一個整體的從CCD電荷讀出、取樣、放大、模數轉換處理單元IC AFE。基本上，只要選定了CCD，此處理單元AFE也隨之確定。AFE就是將CCD輸出的仿真電信號轉化為數字信號的器件(如圖4、圖5)。
(3)DSP數字處理器
DSP主要就是對經過AFE得到的數字影像信號進行一系列處理﹐如白平衡﹑亮度調整﹑色調整﹑γ修正﹑銳利化﹑白點﹑熱燥點補正﹑噪聲處理﹑壓縮等﹐一般根據產品的設計規格﹑DSP廠商演示實際效果評價﹑成本分析等決定。(見圖6、圖7)
電路設計
上述關鍵元器件確定后﹐就可以根據廠商提供的規格書進行電路設計﹐本文以CCD使用Panasonic MN34542PAJ(12M像素)﹐AFE 使用Panasonic NN12083A﹐DSP 使用Novatek NT96433BG作做設計。
電路重點分析說明
(1) CCD使用-6V及+12V兩組電源，其中+12V同時提供給CCD輸出電流放大IC U3使用﹐CCD輸出的信號質量直接影響圖像質量﹐故對+12V電源噪聲要求很高﹐需小于60mV(越小越好)。
(2) 在AFE電路中﹐CCD信號進入AFE前設計了一個由R210及C242組成的簡單的RC濾波器﹐將高頻噪聲濾掉。AFE各部分使用的電源對噪聲要求較高﹐故使用了三個LDO對電源進行凈化﹐+1.8V同時提供TG及 模擬部分﹐用L200作分隔。H1/H2/HL/RG均是對CCD電荷進行驅動轉移及清除用的﹐頻率為40.5MHz﹐瞬間電流較大(達到60~80mA)，對EMI影響很大﹐增加FL200/FL201 LC濾波器作改善。
PCB設計
考慮到裝配需求﹐通常CCD部分電路單獨使用一塊FPC﹐AFE/DSP及其他電路放在另一塊PCB上，通過FPC輸出連接。
(1) CCD FPC設計重點﹕一是CCD輸出兩旁及底部要完整包地﹐線寬要求8mils(1mils=0.0254mm)以上。二是H1/H2/HL/RG優先走線，兩旁及底部要完整包地﹐線寬要求6mils以上﹐并且盡量遠離CCD輸出信號(32mils以上)(見圖8、圖9)。
(2)AFE/DSP部分﹐CCD輸出﹑H1/H2/HL/RG要求同(1)﹐另外還需要注意﹕一是C237/238/239/241/243/244/246是提供基準電平用的﹐必須與CCD輸出隔直電容C240盡量靠近;二是AFE每組電源旁需放置至少一個0.1mF的旁置電容;三是40.5MHz晶振必須遠離CCD輸出信號。
調試
樣品組裝出來后，必須經過復雜且繁瑣的調試過程，其中調試的項目、內容、步驟很多，這里只介紹CCD輸出(輸入)信號取樣點的調整﹐因為此對圖像的質量至關重要。
(1)調整H1/RG﹐使CCD輸出P與D部分寬度基本相等(如圖10)。
(2)調整SHP﹐使其上升沿在CCD輸出信號P段的相對平滑處﹐此為CCD輸出信號取樣比較(黑電平)的基準點(如圖11、圖12)。
(3)調整SHD，使其上升沿在CCD輸出信號D段的幅度最大且相對平滑處，此為CCD輸出信號亮度取樣的基準點。
常見圖像不良現象分析處理
(1)圖片左邊有一固定亮條。
原因﹕RG/HL驅動電流過大。
對策﹕調整RG/HL驅動電流至合適(無過沖)
(2)圖片上方有一固定亮條。
原因﹕RGVDD/HVDD電流響應不夠快。
對策﹕靠近AFE IC RGVDD/HVDD PIN增加0.01mF LOW ESR MLCC電容。
(3)圖片中有一些固定的豎條紋。
原因﹕AFE TG時序與CCD垂直驅動要求時序不符。
對策﹕調整AFE TG時序與CCD垂直驅動要求時序一致。
(4)圖片中有一些固定的橫條紋。
原因﹕不同幀的曝光時間不同。
對策﹕調整DSP的相關設定﹐使曝光時間一致。
(5)圖片中有不固定的斜條紋。
原因﹕AFE CDS/CCD/TG電源噪聲大。
對策﹕調整AFE CDS/CCD/TG電源設計﹐盡量減小電源噪聲。
結語
本文針對數碼相機影像部分的硬件設計給出了一個從元器件的選擇到電路的制作﹑PCB的布線等整個過程的具體實施方案﹐并針對設計及調試中常遇到的一些重點注意事項進行了較深入的分析。