基于XRD4460的CCD视频信号处理电路的设计

2012-06-09 15:49:25来源: 21IC

  1引言

  CCD(Charge Coupled Device)电荷耦合器件是20世纪70年代发展起来的一种新型半导体大规模集成光电器件。由于它在图像信息的摄取、记录方面独具特色,同时又具有体积小、功耗小、分辨率高、灵敏度高、可靠性好等诸多优点,因此在科学、天文、工业等领域有广泛的应用。

  CCD输出的视频信号中除了有用的图像信号外,还包括很高的直流分量和噪声。若不进行处理,将严重影响传感器的图像质量,因此CCD视频信号的噪声处理十分重要。CCD视频信号处理的目的就是尽可能地消除各种噪声和干扰,但又不能损失图像细节;并且保证在CCD的动态范围内图像信号随着目标亮度成线性变化,同时为了便于计算机处理和大容量存储,还必须对CCD输出信号进行数字化处理[1]。这些功能若由分立电路实现,则电路复杂、调试不方便、价格昂贵、功耗大等缺点是显而易见的,这与CCD相机向着功能更强大、性能更完善、价格更便宜、功耗更低的发展趋势是相悖的。随着微电子技术的发展,为了解决CCD视频信号噪声处理问题,许多公司(Exar,Kodak,Burr-Brown,TI等)相继开发了功能齐备的专用CCD视频信号

处理芯片,将各种功能电路集成在一块芯片上,这样不仅大大简化了信号处理电路,降低了CCD相机设计复杂度,而且使CCD相机的功能更强大,性能更优越。

  本文主要分析了专用CCD视频信号处理芯片XRD4460的功能及特点,并在此基础上设计了基于XRD4460的CCD视频信号处理电路。

  2 XRD4460的特点及功能

  XRD4460是Exar公司推出的专用CCD视频信号处理芯片。它带有一个1O位A/D转换器,最高采样速率高达16MHz,内置高带宽的差分相关双采样器(CDS)和8位的数字可编程增益放大器(PGA)。模拟偏移量可控制,差分信号输入,差分外部时钟,片内带有输入缓存和采样/保持器,1O位并行数据输出。由于其功能强大、性能优越、功耗低、体积小等优点,因而广泛用于数字摄像机、数字静态相机和PC录像会议相机等数字成像系统中。XRD4460的功能框图如图1所示,其功能主要包括。

XRD4460的功能框图

  (1) 相关双采样(CDS,correlated double sampling):CCD输出信号中的主要有光子噪声、陷阱噪声、暗电流噪声、复位噪声。其中光子噪声、陷阱噪声是由器件和工艺造成的,不易处理,而暗电流噪声与器件的环境温度有关,所以信号处理电路主要对复位噪声(亦称KTC噪声)进行抑制[2]。为了降低复位噪声,XRD4460采用了相关双采样技术。相关双采样的原理是由于复位噪声表现在同一像素周期内近似常数(即具有相关性),但是对于不同的像素周期是随机变化的。所以,只要在同一像素周期内的暗电平参考区间和信号电平区间进行两次采样,那么这两次采样的复位噪声是相关的,将两个采样电平经差动放大器输出,得到的信号就是真实的视频信号。这一过程把与参考电平和信号电平都相关的复位噪声滤除了,而且对低频噪声也有一定的滤除效果[3]。

  (2)可编程增益控制PGA (programmable gain amplifier): 输入到ADC的视频信号的电压是由CCD输出信号的电压和信号处理的系统增益、偏置决定的。因为CCD输出信号的大小随着入射照度的强弱而改变,只有通过信号处理系统进行增益、偏置地调节.才能使输出的数字图像的亮度和对比度满足要求。XRD4460的增益控制由可编程增益放大器PGA完成,增益范围为6dB~38dB,由8位增益寄存器控制,通过串口来设定。当输入增益码Code=00H时,系统存在固有6dB增益,增益控制码每增加一个码字,系统增益增加0.125dB,从而实现可编程增益控制。

  (3)暗电平自动校正:由于光强、温度、供电电压的缓慢变化都会使视频输出信号的暗参考电平出现波动,在实际应用中,需要暗参考电乎维持一个固定电平,暗参考电平校正过程亦即直流电平恢复过程。通过情况下,CCD输出视频信号的开始部分或结束部分会分布若干个暗电平参考像元。XRD4460通过CLAMP信号的高电平与输出信号的暗参考像素对应,选择合适的外部耦合电容参数,将使整行的暗参考电平保持在一个固定电平上。

  (4)数字偏置控制:若CCD工作于弱光条件下,即使信号的增益很大,经过视频信号处理后的电压仍可能低于ADC的下参考电压,这样使输出视频图像产生失真。为了提高弱光条件下的灰度分辨率,需要使输出视频信号的暗参考电平高于ADC的下参考电压,那么仅仅调整增益是不够的,还需要对视频输出信号的偏置进行调整。XRD4460的偏置调整同样是通过串口编程控制片内8位偏置寄存器。电源上电后默认的偏置设置值位08H,偏置调整范围为02H~08H。

  (5) A/D模数转换:XRD4460内部集成了10位分辨率、逐次比较式A/D转换器,由于利用对分搜索的原理,转换速率高达16MHz,这样的转换速度和转换精度适合于大多数应用场合。

  (6) 串行接口:XRD4460的串行接口包括了一个10bit的移位寄存器和多个并行寄存器,通过LOAD、SDI、SCLK三个信号来控制内部寄存器的写入,实现对XRD4460工作参数的编程控制。

[1] [2] [3]

关键字:CCD  相关双采样  增益控制  信号处理

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0609/article_5230.html
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