CCD模拟前端及模数转换设计

1.引言

现阶段高集成度及高精度的芯片制作工艺技术越来越成熟，各种高性能芯片更新换代非常的快。为了方便、快捷的实现目标信号的出处置和传输，越来越多的系统采用ADC模数变换技术。

2.系统简介

2.1预放电路设计

CCD输出的模拟信号首先经过一个射级跟随器进行功率放大，然后将OS和DOS送入到以CLC409搭建的差分电路进行处理，最大限度的滤除暗电流和低噪声信号所带来的干扰，预放部分电路图1所示。

图1 预处理电路

2.2信号处理部分电路设计

信号处理部分的主要工作是经过预放处理后的CCD信号进行滤波、相关双采样、增益调整ADC量化等处理。利用FPGA产生CCD与相关双采样、增益调整及ADC量化等电路所需的控制时钟。各部分工作原理介绍如下：

（1）滤波电路

滤波电路主要完成对经过预放处理后的CCD信号进行高频噪声抑制。本次设计中采用一阶无源RC滤波器，电阻设计为滑动变阻器，方便对所需截止频率范围的调整。一阶RC回路截止频率。

（2）相关双采样电路

经过RC滤波后的CCD信号里面混有无法避免而且是对成像效果影响最大的噪声，即复位噪声信号。复位噪声信号的滤除采用相关双采样技术实现，CDS原理及CCD经过前端处置后输出的信号。

把复位管输出级的二极管在反向偏置时等效为一个电容CO，因为噪声电压在CO上有涨落缓慢的特点。在相关双采样器件内部，有两个高速的采样-保持器S/H：第一阶段用来采样复位脉冲刚通过但移出的信号还没有到达的某一时刻的幅值信息，第二阶段用来采样在移位时钟脉冲的驱动下移出信号到达后的幅值信息。

（3）增益调整

CCD输出的视频信号非常微弱，为了使其能正常的进行模数转换，要在信号进行转化之前进行增益放大。本系统中采用的增益放大器为AD8369，由4位数字可控，供电电压为3-5.5V，增益范围为-5db-40db，3dB为最小变化单元。

（4）模数转换

采用具有良好特性的AD6645型模数变换器，它是高带宽模数变换器系列的第四代产品，精度很高但变换等待时间较短及功耗很低，它采取逐次比较技术进行变换。AD6645芯片内部有校准电路能够在没有其他电路的干预下维持芯片工作的最佳状态。我们在板级设计时模拟供电电压取5V，数字供电电压取3.3V，分开的数字和模拟供电方式能够将电磁现象带来的噪声降低很多。

其主要特点如下：

①14位的分辨率、75db的信噪比、1/2LSB非线性度；②A/D转换时间为3.2us；③功耗非常低，当工作在省电情况下的电流只有10μA；④内置采样、保持器（T/H）；

提供了AD6645在进行模数转换时所需的时钟控制信号，最大采样速率可达200MHz。我们在处置后的信号进入AD6645变换前先做电压幅值限制处理，防止从AIN端输入的信号损坏AD6645。通过判断和FPGA的I/O口直接相连的OVR上的电平变化来判断是否有信号输入，ENCODE的上升沿作为启动信号，变换开始以后检测DRY引脚的电平是否由高变低，等待一段时间后就能直接读取转换后的结果。

模数变换器输出的数字信号直接上传给FPGA，并存储到内部例化的FIFO中。模数转换器是CCD信号进行数据传输、图像还原的重要环节，它的转换速度影响图像采集的转换精度、帧频、和图像的分辨率，模数变换器的消噪能力对目标图像还原后的质量有直接影响。

3.调试

系统在进行信号检测和功能验证时，全程一定要关注静电产生的问题，因为CCD芯片对静电非常敏感，很容易就会被击穿损坏，因此在检测过程中一定要使用可以防止静电的手套进行操作，并且 生成的信号幅值非常小，不能直接被示波器检测出来，需要经过预处理模块放大后才能进行测量。

4.结论

经模拟前端处理和模数变换器转换，CCD可将采集到的数字图像信号直接上传给FPGA，并存储到内部例化的FIFO中。模数转换器是CCD信号进行数据传输、图像还原的重要环节，它的转换速度影响图像采集的转换精度、帧频、和图像的分辨率，模数变换器的消噪能力对目标图像还原后的质量有直接影响。

（作者单位：长春中国光学科学技术馆）