基于CPLD的CDD自动增益系统设计

　　一种电荷藕合式光电转换器件。在物体位移测量系统中，常常以 ccd 作为位移传感器。当一束曝光器发出的激光照射到被测物体上并发生漫反射时，反射光将经透镜聚焦后成像在 ccd 上，以使 ccd 光敏单元感光，从而产生转移电荷。这样 ccd 驱动电路就会产生一定频率的驱动脉冲以反映物体位移信息，输出的信号为模拟信号。经 a/d 转换后，便可由后续处理电路采集和运算。

　　实际测量工作中，由于工作环境、光照强度或被测物体的不同，会使得照射到被测物体表面的激光束的反射率变化比较大，因此，ccd 上成像点的光强就会时强时弱。ccd 光敏单元在过强或过弱光线照射下，会产生过饱和或不饱和的电荷，从而使输出的模拟信号不能满足数据采集要求，因而不能真实反映被测物体的位移信息，影响最后计算结果的准确性，而产生了较大的误差。鉴于以上原因，为了能够得到准确的被测物体的位移结果，应使 ccd 测量系统输出的模拟信号峰值尽量稳定在某一范围内。

　　cpld 复杂可编程逻辑器件具有集成度高，体积小，速度快等特点。通过 cpld 能够以厂家提供的 cad 工具为开发平台，结合原理图编辑与 vhdl 语言软件编程，以在 cpld 中实现数字硬件中的大多数逻辑电路。因此，本文所设计的 ccd 自动增益系统的核心部分选用 cpld 来实现。

　　ccd 信号的自动增益调整

　　ccd 传感器输出的模拟信号与入射光光强、帧转移频率有关。其大小随入射光光强的增大而增大，随帧转移频率的增大而减小，因此，通过改变入射光的光强或帧转移频率就可以调整输出的模拟信号峰值。本系统就是采用调节帧转移频率来达到自动增益调整的目的。

　　一般情况下，帧转移脉冲由 ccd 驱动电路输出，其频率大小直接影响 ccd 传感器的积分时间。帧转移频率越小，传感器积分时间越长，相应地，ccd 传感器曝光时间也越长，光敏单元捕捉到的光量也越多。当帧转移频率过小时，光敏单元所产生的光电电荷就会达到过饱和状态，输出的模拟电压峰值将会超过所要求的范围。反之，输出的模拟电压峰值将会低于所要求的范围。因此，可设计一个 ccd 输出电压峰值的采样、保持电路，再对此峰值进行 a/d 转换，同时与所要求的范围进行比较。当其超出范围值时，可增大帧转移频率；而当其值低于范围时，则可减小帧转移频率。

　　系统整体结构

　　这种基于 cpld 的 ccd 自动增益调整驱动电路的整体结构如图 1 所示，该系统共分为两部分。第一部分为模拟 / 数字转换电路，该部分采用一个转换精度为 8 位的 a/d 转换器来将 ccd 输出的模拟电压值转换为数字量。第二部分为可自动调整增益的 ccd 驱动电路，此部分采用 cpld 进行配置，可自动完成增益调整及 ccd 驱动信号的输出，并可为 a/d 转换器提供转换控制脉冲。

　　a/d 转换部分

　　ccd 的输出信号为模拟量，故须经 a/d 将其转换成数字量，以便 cpld 进行处理。在本设计中，a/d 转换器采用的 ad9048 可工作在 35msps 的高速上，由 cpld 产生的单位转移脉冲 sp 可为其提供转换控制脉冲 convert。在 convert 的上升沿到来后，a/d9048 对 ccd 相应象素点上输出的模拟电压值进行采样，并在 convert 下降沿到来之前输出转换结果，该结果由 cpld 寄存并最终得到一帧中 ccd 输出的模拟电压峰值的大小。

　　可自动增益的 ccd 驱动电路设计

　　此电路利用 cpld 设计，其内部可划分为四个模块（如图 2 所示），整个芯片所需的时钟由外部晶振或振荡电路提供。

　　第一个分频模块 dispart 用于对外部时钟进行一到八倍的分频。第二个模块 mul tiplexer 是一个多选一模块，由 compare 控制。第三个模块 compare 用于对 a/d 转换的结果进行寄存，并将一帧结束后得到的 ccd 输出电压峰值与所设定的阈值进行比较，若超出阈值上限则输出结果减一，mulTIplexer 选出频率较高的一路时钟作为 driver 的输入时钟脉冲；反之，则对 compare 的输出结果加一，mulTIplexer 选出频率较低的一路时钟作为 driver 的输入时钟脉冲。第四个模块 driver 用来产生驱动 ccd 的信号及一位单位转移信号。

　　当 mulTIplexer 选出频率较高的一路脉冲作为 driver 的输入时钟，再由 driver 产生 ccd 驱动信号时，驱动信号中的帧转移脉冲 sh 频率就会增加，从而使 ccd 传感器的曝光时间变短，ccd 输出的模拟电压峰值降低；反之，sh 频率减小，曝光时间变长，ccd 输出的模拟电压峰值升高。这样，通过以上过程，便可调节 ccd 模拟电压峰值的范围。

　　本设计应用的 ccd 器件为 tcd1201d，采用二相驱动脉冲工作，驱动电路要产生六路工作脉冲，其中五路用作 ccd 提供工作脉冲，分别为帧转移脉冲 sh、电荷转移脉冲 t1、t2、复位脉冲 rs、补偿脉冲 bt；另一路为单元转移脉冲 sp。此六路脉冲由 cpld 中的 driver 部分产生，此部分可用硬件描述语言 vhdl 进行设计。