0引言
CCD是以電荷包的形式存貯和傳遞信息的半導體表面器件，目前市場上的CCD器件并未對其驅動信號、輸出信號做任何處理。因此，在實際應用中，需要根據CCD的型號、用途和應用領域的不同而設計不同的驅動電路，以及數據采集、處理系統。CCD 的光積分時間決定著CCD的曝光量，在不同的光照強度下，需要的實際光積分時間不同。光強較弱時需要較長的光積分時間，以使光敏單元吸收到足夠的光信息；相反，光強很強時，光積分時間不能太長，否則CCD的輸出信號會飽和失真，不能準確地反應要測量的信息。因此要得到精確的測量信號，就需要實時的調節光積分時間。
CCD傳感器必須在一定的驅動脈沖的作用下才可以完成信號電荷的轉移、輸出。在一定的驅動頻率內，提高驅動信號的頻率則會加怏電荷包的移動，從而提高測量速度；反之，降低驅動信號的頻率則會降低測量速度。因此要提高測量速度就要提高驅動信號的頻率，而在某些場合需要將光積分時間提高到10us時，就需要將時鐘頻率提高到幾百兆，頻率太高又引出更難、更復雜的問題，而且這種方法下測量速度的提離空間也是有限的。
本文的主要任務就是解決上述的CCD目前在其應用領域中存在的不足。
1 TCD1304的特性及驅動信號要求
TCD1304 是一款高靈敏度、低暗電流，具有3648個像元（46個啞元）的線陣圖像傳感器，可以用于終端的人工掃捕器。TCD1304的一大特性就是具有電子開關，而電子開關的主要功能是可以使CCD的輸出信號根據光照的強弱實時的進行調整。其各管腳的名稱及作用如表1所示。
表 1 TCD1304 管腳名稱及功能介紹
其內部結構由光電二極管和電荷轉移電極組成的光敏單元、兩個CCD模擬移位寄存器、兩個轉移柵、輸出緩存機構和驅動信號內部邏輯電路五個部分組成。
各驅動脈沖的時序要求如圖1所示；OS 為CCD的輸出信號。
如圖1所示，幀轉移信號SH兩個連續下降沿之間的時間tINT即為光積分時間，在這段時間光敏單元開始將接收到的光信號轉化為電信號，并將電荷包按奇偶順序轉移到模擬移位寄存器中。該時間的長短不再依賴于基礎時鐘信號ΦM，與傳統的其他型號的CCD有很大不同。只需要調節脈沖的占空比FF可實現對光積分時間的調整，可以很大程度地縮短tINT，同時不需要改變基礎時鐘的頻率，避免了高頻干擾。
在光積分時間范圍內，伴隨著復位脈沖上升沿的到來CCD光敏單元開始產生反映光信息的電荷包。電荷包以奇偶順序被送到光敏單元兩旁的轉移柵中，在數據時鐘的驅動下經過CCD內部數據處理電路輸出OS信號。
圖1 TCD1304的驅動脈沖波形圖
2 驅動信號的硬件實現電路
驅動信號硬件電路的整體框圖如圖2所示：采用高穩定性的有源晶振產生基礎脈沖信號CP，再通過計數分頻產生兩個脈沖信號，經過J－K觸發器，分時選通，即可得到復位脈沖信號ICG，以ICG為觸發信號，觸發單穩觸發器CD4538生成占空比可調的幀轉移信號SH。
因此，縮短光積分時間只要調節SH信號的占空比即可，不需要再提高基礎時鐘的頻率。
圖2 驅動電路整體框圖
圖3即為復位脈沖ICG、幀轉移信號SH的實驗調試結果，實驗表明，此種原理調節光積分時間更加靈活方便，而且穩定度好、精度高。
圖3 ICG，SH波形時序圖
3 數據采集及自動增益控制的實現
自動增益控制的實現主要是通過控制CCD的輸出信號使其保持在一定范圍內，既不會因峰值過大而飽和失真，也不會困峰值太小而影響測量精度。這個范圍的確定可根據實際需要確定。峰值大于范圍上限時縮光積分時間，避免出現飽和失真的現象。反之，當小于范圍下線時延長光積分時間，以使光敏單元得到足夠的曝光量。
CCD的輸出信號是模擬量，需要經過一系列的處理，放大、倒相、峰值保持等，將得到的峰值信號經過A/D轉換送入單片機。單片機通過得到的數字量發出控制命令，調節單穩觸發器的數字式電位計，改變SH信號的占空比，光積分時間也隨之改變，實現自動增益控制。
整體框圖如圖4所示。
圖4 數據采集系統整體框圖
A／D 轉換選擇的是8位逐位逼近式雙通逍A／D轉換器ADC0832，最高分辨率可達2ˉ8，可以適應一般模擬量的轉換要求，且轉換速度怏、穩定性能強。單片機選擇的是美國ATMAL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機AT89C2051。兼容標準的MCS－51指令系統，片內置能用8位中央處理器和FLASH存儲單元。可重擦寫。
自動增益控制流程圖如圖5所示。
自動控制制積分時間主要是通過調節SH信號的占空比，因此，以單穩觸發器為核心的脈沖發生器設計部分選用了數字式電位計X9C103。可以通過單片機發送指令改變阻值，從而改變脈沖發生器的輸出信號。經過多次調試得出其有效阻值有一定的范圍，而且改變阻值過程中要加入適當的延時，這兩點在編寫程序時需要考慮進去。
圖5 自動增益控制流程圖
圖6所示的即是自動增益控制的調試結果。在調試過程中為了便于觀測信號，用黑色膠帶粘在CCD器件的感光面，只留中間一道縫隙，因此，CCD的輸出信號只在惑光位置有一較窄的脈沖， 如圖6所示。當CCD輸出信號很弱時，光積分時間不斷的在增大，CCD的輸出信號也在不斷的增強。
圖6 自動增益控制調試圖
4.結語
本文主要介紹了一個帶電子快門的可實現自動增益控制的高速CCD驅動電路的設計原理及實驗結果。
經過實驗調試的結果在不改變時鐘頻率的基礎上將光積分時間縮短至幾個微秒，大大提高了測量速度。同時通過自動增益控制使CCD的輸出信號始終保持在閾值范圍之內，從而保證了測量的精度。該測量方法在高速、高精度實時在線測量領域有很好的應用前景。