浅析CCD视频信号处理电路的设计

摘要：CCD图像传感器将光敏像元上的光信号转换成电信号并存储在MOS电容中，在驱动脉冲的作用下，顺序地移出器件形成视频信号，从而实现光与电、空间与时间上的转换。本文对CCD视频信号处理电路的设计进行了简单的阐述。

关键词：CCD视频信号处理；电路设计

Abstract: CCD image sensor of the photosensitive like element on the optical signals converted into electrical signals and stored in the MOS capacitor, the role of the drive pulse, sequentially out of the device to form a video signal, in order to achieve light and electricity, space, and timeconversion. The CCD video signal processing circuit design simple.Keywords: CCD video signal processing; circuit design

中图分类号：TM13文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

CCD图像传感器将光敏像元上的光信号转换成电信号并存储在MOS电容中，在驱动脉冲的作用下，顺序地移出器件形成视频信号，从而实现光与电、空间与时间上的转换。CCD输出信号比较特殊，其输出的空间采样信号就其振幅来讲是模拟信号，其振幅反映出信号电荷包的大小，他们都是模拟量。但是，在时间上，这些信号受精确的驱动时钟脉冲控制，因而类似数字移位寄存器，这就说明CCD信号即具有模拟性又有数字性。

一、前置放大电路

CCD器件是低功耗器件，其输出的视频信号电流非常小，也就是说，CCD的输出信号不足以驱动后面的视频处理电路，因此在CCD输出级要加上一级电流放大电路，以提高带负载能力。

图1.1TCD1206前置放大电路

本设计中TCD1206的输出信号放大电路采用的是射极跟随方式，因为射极跟随器有高的输入电阻和低的输出电阻，能隔离前后级电路的相互影响，起缓冲作用，同时有较大的电流放大倍数，所以可用作视频信号处理的输入级。放大器件采用2SA1015晶体管，它是低噪声的器件，电流放大倍数(hFE=80)线性好，电路实现如图1.1所示。

二、视频放大电路

如前所述，采用差动放大电路可以降低噪声对视频信号的影响。差动放大电路的设计主要考虑视频信号的幅度、噪声、工作频率以及系统所要求的分辨能力，同时还要考虑电压比较器的灵敏度，以提高测量精度。

对视频放大器的主要技术要求如下。

输入、输出阻抗常为不平衡75ù、10MHz以内。

增益一般在几db到几十db之间。

幅频特性从50Hz到10MHz应在±0.1db以内，50Hz以下应控制在±0.5db以内。

时延特性在10MHz以内应小于1ns，下限频率一般应在数百赫兹。

输出电平一般为1VP-P。

微分增益特性应在0.3%以内。

微分相位特性应在0.2%以内。

CCD光敏区在100lx左右的均匀光照下，其视频信号的幅度为100-200mV，此时输出的噪声在50 mV，可见信噪比不大，对这样的信号进行放大，突出问题是噪声的抑制问题，而对放大倍率的要求不高。因此选用具有高共模抑制比的运算放大器可抑制驱动脉冲感应干扰信号并减小共模信号的影响。基于以上技术要求，选择了差动宽带视频放大器LM733。

图1.2差动视频信号放大电路

Fig.1-2 Difference video-signal amplify circuit

放大电路如图1.2所示。CCD的两个输出端，一个是视频信号输出端UOS，另一个是补偿信号输出端UDOS。视频信号电压幅值仅为几十到几百毫伏，将T1和T2组成桥式射极跟随电路作为视频信号放大电路的输入级。视频信号和补偿信号经过C1、C2耦合，分别送到差分运算放大器的两个输入端进行放大。电位器W1、W2既用来调节输入信号的大小，又用来调节电路平衡。放大后的信号送入D1和W4 、R11组成的限幅电路，调节W4可用来改变限幅电平。最后信号由互补射随器T4、T5输出。调节W5可改变T3的工作点，对其输出的视频信号进行平衡调节，调节W6可改变输出信号的幅值。

三、低通滤波电路

视频信号是携带了被测物体信息的高频脉冲信号，在视频信号处理中采用一个低通滤波器将视频信号中的高频成分滤掉，获取被测物体信息的幅值信号。滤波电路分为有源滤波电路和无源滤波电路两种，与无源滤波器相比较，有源滤波器具有体积小、效率高、频率特性好等一系列优点。在本系统中采用了运算放大器构成的有源低通滤波器。

1.低通滤波电路设计

当测量精度要求不高时，可采用一阶有源低通滤波器。当测量精度要求较高时，为了改善滤波效果，使大于截止频率的信号迅速衰减，常采用二阶有源低通滤波器。

图1.3二阶低通滤波处理电路

采用运算放大器组成二阶有源低通滤波器的方法很多，本系统中的有源二阶滤波器采用压控电压源型低通滤波器，使用元件少，对放大器的要求不高，是一种经济实用的电路。为了保证滤波器的性能稳定，运算放大器的通带增益设计的低一些，阻尼系数大于0.707。二阶压控电压源型低通滤波器的原理电路如图1.3所示该电路。

2.滤波电路截止频率对测量精度的影响

低通滤波电路的截止频率影响电平切割法的二值化处理精度。当滤波电路的截止频率太低时，不能滤掉视频信号中的高频噪声信号。在时域中，滤波信号不平滑，滤波电容充放电过程也清晰可见，当切割电平有微小幅值变化时，二值化信号的宽度变化较大，测量精度低。

本系统设计中，滤波器的截止频率设计为驱动电路工作频率的1/2，既能有效地滤除高频噪声，也满足奈奎斯特采样定理，对测量精度影响很小。

四、二值化处理电路

光学系统把被测对象成像在CCD光敏像元上，由于被测物与背景在光强上的变化反应在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的方法很多，一般采用硬件电路。实现二值化处理方法主要有两种：电平切割法和微分法。

1.微分法

微分法的设计意图就是首先确定代表真正边界的特征点，然后依照找到的特征点形成二值化信号。由于被测物体的边缘是通光和挡光的交界点，理论上该处的光强变化率最大，该点就是滤波后的视频信号电压函数在过渡区内的拐点。由高等数学的知识知道，在拐点处，电压函数的一次微分为最大值，二次微分为零。电路便于寻找为零的点，所以将微分法设计成二次微分，其原理如图1.4所示。

图1.4微分法原理框图

微分法通过理论分析上确定被测物体的边界特征点，但运放构成的有源微分电路中，由于运放本身具有零点漂移，使二次微分后的信号在零点附近有很多背景噪声，使得过零触发输出信号杂乱，得不到正确波形。若是用一个微小电平触发，就不再符合寻找边界特征点的原理，实用中存在一定问题。微分电路对于视频信号的电压变化和外界环境的变化极其敏感，视频信号处理电路也比较复杂，实用中二值化处理通常采用电平切割法。

图1.5电平切割法原理

2.电平切割法

电平切割法最常采用的是电压比较器，如图1.5(a)所示。其工作原理是利用电压比较器的传输特性，将低通滤波后的视频信号Ui送往比较器的同相端，将经可变电阻W分压产生的阈值电平Uth送到比较器的反相端，在电压比较器的输出端加一个上拉电阻R，在比较器的输出端就得到视频信号的二值化处理结果。如图1.5(b)所示，视频信号电平低于阈值电平Uth的部分，电压比较器均输出低电平；视频信号电平等于或高于阈值电平的部分，电压比较器均输出高电平，形成具有一定电平宽度的二值化信号，其高电平的宽度对应着被测尺寸的大小。

电平切割法的主要问题是阈值电平确定问题，由于CCD视频信号中存在有过渡区，对于真实边界的确定，阈值电平是影响测量精度重要因素之一。阈值电平不同，切割得到的二值化信号高电平宽度就不同。因此测量系统在使用前需要对系统标定，确定阈值电平的大小。由于许多因素都会引起视频信号电压幅值的变化，采用浮动阈值电路产生自动跟随的阈值电压可以提高二值化的精度。

浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。这样，当CCD输出的视频信号起伏变化较大时，可以通过电路将视频信号的起伏变化反馈到阈值上，使阈值电位跟着变化从，而提高精度。

图1.6浮动阈值二值化电路

如图1.6所示，该电路中比较器的基准电平由三极管T的射极电位器提供，利用二极管的单向导电性使电容C上总保持被测信号的峰值，然后由三极管跟随，经电位器分压后产生切割电平，这种电路产生的切割电平是以峰值的大小为基准按比例产生的，因此可使阈值电位随CCD视频信号的起伏而变化。

当测量精度不高时可选用运算放大器构成的电压比较器，而为了得到较高的测量精度多选用高速电压比较器。

总之，本文从方案的制定、系统整体设计、软硬件调试等一系列工作都遵照相关软件前端设计的流程，并完成基本设计要求。通过本系统的设计工作，为日后的开发、设计工作积累了宝贵的经验。