關(guān)鍵詞： CCD , 前端系統(tǒng) , 數(shù)碼相機(jī)

CCD(電荷藕合組件)
　　
因不同種類的工作需求，業(yè)界發(fā)展出不同的類型的CCD：Line(線型)，Interline(掃描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全傳)。線型CCD是以一維感光點(diǎn)構(gòu)成，通過步進(jìn)馬達(dá)掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較二維的數(shù)碼相機(jī)來得慢，這種CCD大多用在平臺式掃描儀上。掃描型的CCD曝光后所產(chǎn)生的電荷都被轉(zhuǎn)移到附近的移位寄存器，通過垂直傳送向下轉(zhuǎn)移到底部，按一定排序輸出，它的優(yōu)點(diǎn)在于曝光后即可將電荷儲(chǔ)存在寄存器，繼續(xù)拍照速度較快， 缺點(diǎn)是寄存器占用了感光面的面積， 相應(yīng)地犧牲了動(dòng)態(tài)范圍，這種CCD成本較低，多用在監(jiān)視器、拍照手機(jī)、或低檔數(shù)碼相機(jī)上。全景CCD是一種架構(gòu)更簡單的感光設(shè)計(jì)，鑒于掃描型的缺點(diǎn)，全景型可以利用整個(gè)感光區(qū)域(沒有寄存區(qū)的設(shè)計(jì))，有效增大感光面積，同時(shí)也適應(yīng)長時(shí)間曝光，其曝光過程和線型相同， 不過感光和電荷輸出過程是分開的。因此全景CCD的數(shù)碼相機(jī)在傳送電荷時(shí)必須使用機(jī)械快門(無法使用電子快門)，同時(shí)，也限制了全景CCD的連續(xù)拍照的能力。全景型大多用在專業(yè)級相機(jī)上。全傳CCD的架構(gòu)介于掃描和全景之間， 有時(shí)也叫全掃描型，它分成上、下部分，上半部分是感光區(qū)，下半部是暫時(shí)存儲(chǔ)區(qū)。整體來說全傳CCD非常類似全景CCD，它的特點(diǎn)在于直接規(guī)劃一個(gè)大型寄存區(qū)。一旦全傳CCD工作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的寄存區(qū)中，本身可以繼續(xù)曝光拍照。這種設(shè)計(jì)，讓全傳同掃描一樣可以使用電子快門， 同時(shí)也可以增加感光面積和速度， 兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的拍攝能力。大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用此類CCD。

圖1  全掃描CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　
一般數(shù)碼相機(jī)都帶有預(yù)覽(Preview)和錄像(Rec)功能，在這里電子快門就起到了關(guān)鍵的作用。圖2為電子快門控制像素的曝光過程。

　　

　　圖2  電子快門控制像素的曝光

　　
圖3為CCD內(nèi)部示意圖，當(dāng)一幅圖像曝光后，就需要將感光電荷從CCD輸出，為了讓感光的電荷輸出，電荷先到垂直寄存器，通過垂直驅(qū)動(dòng)脈沖(Φ1~Φ9)將每一行的電荷轉(zhuǎn)移到水平寄存器，水平寄存器在水平驅(qū)動(dòng)脈沖(ΦH1，ΦH2)驅(qū)動(dòng)下，往CCD OUT方向移動(dòng)，在末段有一放大器，ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，從CCD OUT 輸出。

　　

　　圖3 CCD內(nèi)部等效電路圖

　　
CDS(相關(guān)兩次取樣)
　　
業(yè)界所稱的CDS 是由時(shí)序發(fā)生器(Timing IC)、垂直驅(qū)動(dòng)器(V-driver)、模擬信號處理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作時(shí)序、電平并將CCD輸出的模擬信號進(jìn)行取樣、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，將圖像數(shù)據(jù)傳給DSP進(jìn)行圖像處理。
　　
時(shí)序發(fā)生器有一個(gè)寄存器，通過3根串口線進(jìn)行各種設(shè)定：模式設(shè)定(拍照、錄像或預(yù)覽)，電子快門和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦA(chǔ)DCK,ΦDCLK相位調(diào)整，等等。
　　
模擬信號處理器(AFE IC)有一個(gè)寄存器，通過3根串口線進(jìn)行各種設(shè)定：CCD輸出信號放大倍數(shù)(GAIN)，默認(rèn)“全黑”時(shí)電平，等等進(jìn)行設(shè)定。
　　
相關(guān)兩次取樣：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下CCD信號輸出，當(dāng)復(fù)位(RS)完成， 由于CCD暗電流的存在，CCD OUT不是為“0”，F(xiàn)CDS脈沖取樣Vprec。當(dāng)H2為高電平時(shí)，圖像信號輸出，F(xiàn)S脈沖取樣Vdata，兩者的差值就是圖像信號Vcds，這就是相關(guān)兩次取樣，如圖4所示。

　　

　　圖4  CCD的相關(guān)兩次取樣

　　
電路設(shè)計(jì)
　　
本文以某款7百萬像素的數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)作為說明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸為1/2.5英寸，像素總數(shù)為水平3098×垂直2328，有效像素為3088×2320(共716萬像素)，像素單元為1.9mm×1.9mm，支持視頻模式(30幀/s，15幀/s)。CDS采用SHARP公司推薦搭配此CCD的LR38678，工作電壓為3.3V，TG主頻67.5MHz，提供CCD的驅(qū)動(dòng)頻率為33.75MHz。
　　
圖5為電路原理圖， 基本按照廠商推薦值進(jìn)行設(shè)計(jì)。CDS的POFD輸出電子快門信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換在CCD OFD輸入。此CCD可以工作在不同的模式，見表1(A，B，C，取樣的條數(shù)不同)，通過串口設(shè)定OFDC，OFDC2電位來達(dá)到不同的工作模式表2(錄像、監(jiān)視和拍照)，在錄像、監(jiān)視模式，圖像是按一場輸出，1VD一幅圖像，但每幅圖像只是抽取CCD部分條數(shù)。當(dāng)在拍照模式，CCD上全部像素信號都要輸出，一幅圖像是由5幀輸出，1VD對應(yīng)1幀，具體時(shí)序見圖6 CCD時(shí)序。CDS將CCD信號AD轉(zhuǎn)換成D0~D11數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸給DSP，同時(shí)伴隨時(shí)鐘信號，VD，HD信號。

　　

　　圖5  電路原理圖

　　

　　圖6  CCD時(shí)序

　　
相機(jī)的前端系統(tǒng)對電源要求很高，很容易將電源噪聲反應(yīng)在圖像信號上，一般都選用低壓穩(wěn)壓器(LDO)，本文使用RT9013-33 LDO，具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比，電流最大值達(dá)到500mA。CDS 3組電源中，以TG電源負(fù)載最大，工作時(shí)負(fù)載變化很大，一般選用較低ESR 47uF以上的鉭電容，假如此路電源處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)豎條紋。-7V和+13V也要求較低的紋波。
　　
本文采用晶振電路能夠滿足要求
　　
零件擺放和走線(LAYOUT)，CCD前端系統(tǒng)是數(shù)碼相機(jī)的心臟，是像的來源，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處于優(yōu)先考慮的位置。CCD和CDS按盡量靠近的原則。CCD輸出的信號，工作頻率達(dá)到33.75MHz，路徑要短，最好在同一層，線周圍不但要包地，PCB板上、下層也要鋪地，避免受其它信號源的干擾和干擾其它信號源。CCD其它信號線H1,H2,RS,工作頻率33.75MHz,也要同CCD輸出信號一樣處理。前端系統(tǒng)的CCD GND,同相機(jī)系統(tǒng)的GND要單獨(dú)分開， 避免數(shù)字地的影響。相機(jī)尺寸朝小型化發(fā)展,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 前端系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)離其它干擾源,或預(yù)先屏蔽。
　　
由于LAYOUT 和零件差異性，CCD前端系統(tǒng)需對高速信號H1，H2，RS，ACLK，DCLK，F(xiàn)CDS，F(xiàn)S相位調(diào)整，以便正常工作，獲得最佳的圖像信號。用示波器觀察波形調(diào)整， 要注意選擇合適探頭測試。

調(diào)整CDS的DCLK相位，使傳輸DSP的時(shí)鐘數(shù)據(jù)線同步。假如不能同步，DSP接收不到正確的圖像信息。此CDS上沒有對H1，H2相位的調(diào)整，只能通過外部電路調(diào)整串聯(lián)電阻阻值。廠商對H1，H2，RS提供建議值，假如H1，H2偏離標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)造成圖像信號傳輸不完整，影響圖像質(zhì)量。
　　
調(diào)整RS，ACLK，DCLK，F(xiàn)CDS，F(xiàn)S相位，都是通過串口改變TG寄存器的數(shù)據(jù)。一種方法用示波器觀察波形，使RS和H1在同一上升沿，F(xiàn)CDS的上升沿比H1的下降沿稍遲一點(diǎn)，RS的上升沿比FS的上升沿稍遲一點(diǎn)， ADCK的上升沿比FS的上升沿稍遲一點(diǎn)。另一種方法是固定好光圈，快門速度，Gain(增益)值，光源，改變不同的相位值對色板拍照， 用PHOTOSHOP打開照片，記錄色階分布中的“平均值”和“標(biāo)準(zhǔn)偏差”，“平均值”指的是照片的亮度，反應(yīng)CCD的輸出能力，數(shù)值越大，CCD的信號輸出越大，“標(biāo)準(zhǔn)偏差”(描述亮度范圍的單位)數(shù)值越大，雜訊越大。取“平均值”和“標(biāo)準(zhǔn)偏差”數(shù)值繪制圖表曲線，取“平均值”和“標(biāo)準(zhǔn)偏差”平衡點(diǎn)，即較大的亮度和較小的雜訊。照片對應(yīng)的相位值就是比較理想的調(diào)整值。或此兩種方法相互運(yùn)用，再加上實(shí)拍，求得調(diào)整值。
　　
結(jié)語
　　
數(shù)碼相機(jī)的CCD的前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整臺相機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 隨著相機(jī)向高像素，高圖像品質(zhì)發(fā)展，工作頻率越來越高，對元器件特性和前端系統(tǒng)要求更高。