TDA9965工作原理及其在TDI-CCD相机电路中的应用

1TDA9965工作原理及其在TDI-CCD相机电路中的应用刘燕1,2高伟1陈川1,2陈楚君1,2（1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710119）（2中国科学院研究生院,北京,100039）摘要:TDA9965是PHILIPS公司专门为CCD相机设计的一款12位模数转换芯片。本文分析了TDA9965的结构和工作原理，选用FPGA器件作为硬件设计载体，使用VHDL语言以QuarterII作为平台对TDA9965的初始化设置和驱动时序发生器进行了硬件描述及仿真和配置。最后分析了TDA9965的硬件PCB设计。系统采用FPGA配置TDA9965作为某款国产TDI-CCD成像系统的视频处理部分，在实验中成功地完成了模拟视频信号的数字化处理。关键词:TDA9965,现场可编程逻辑阵列（FPGA），硬件描述语言（VHDL），驱动时序;中图分类号:TN79+2文献标识码：APrincipleofTDA9965anditsapplicationinTDI-CCDcamerasLiuYan1，2,GaoWei1,ChenChuan1，2，ChenChuJun1，2（1Xi’anInstituteofOpticsPrecisionMechanics,ChineseAcademySciences,Xi’an7101192GraduteSchooloftheChineseAcsdemyofSciences,Beijing100684）Abstract:TheTDA9965productedbyPHILIPScompanyisa12-bitanalog-to-digitalinterfaceforCCDcameras.TDA9965’sarchitectureanditsworkingprincipleareanalyzedinthisarticle.FieldProgrammableLogicArray(FPGA)ischosenashardwaredesignplatform;initializingsettinganddrivingschedulegeneratorisdescribedwithVHDLinQuarterII.Atlast,thedesignofTDA9965’sPCBisanalyzed.SystemusesFPGAandTDA9965asthevideoprocessingcircuitofonenationalTDI-CCDcameras,thefunctionofthevideoprocessingcircuitissuccessfulinexperiment.Keywords:TDA9965,FieldProgrammableLogicArray(FPGA)，VHSICHardwareDescriptionLanguage(VHDL),DrivingSchedule;0引言CCD输出的信号必须进行视频处理才能为后续电路使用。其目的就是尽可能地消除各种噪声和干扰，但又不损失图像细节；并且保证在CCD的动态范围内图像信号随目标亮度成线性变化，同时主要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]。CCD视频处理电路是电路系统的重要组成部分，直接影响CCD的性能，因此TDA9965在系统中的作用非常重要。1TDI-CCD相机结构时间延时积分电荷耦合器件(TimeDelayandIntegrationChargeCoupledDevices)(TDICCD)是近几年发展起来的一种新型光电传感器。主要应用在低照度条件下,对低照度目标有很高的灵敏度。系统中采用的TDI-CCD输出频率100M，分8路输出。TDI-CCD2成像系统主要包括光学系统、机械系统、电源供电系统、驱动系统、控制系统、图像数据处理系统等[2]。系统处理过程为：TDI-CCD在FPGA提供的驱动时序的控制下将光信号转换成电信号，即模拟视频信号；模拟视频信号经放大倒相处理后送入TDA9965，TDA9965也同样在FPGA提供的时序信号驱动下完成对模拟视频信号的数字化处理；转换后的数字信号送入FPGA经过一系列的处理最终送入终端。系统采用一片FPGA同时为TDI-CCD和TDA9965提供时序驱动信号，FPGA的型号是Altera公司的EP3C25Q240，它是一款性价比很高的芯片。2.TDA9965简介及其工作原理2.1TDA9965简介TDA9965是PHILIPS公司针对CCD成像系统设计的一款低功耗模数转换芯片。它主要由箝位及采样保持（CTH）电路，调准箝位回路（ADCCLAMPLOOP），可编程增益放大(PGA)电路和A/D转换电路三部分组成[3]。CTH带宽，PGA增益，ADC箝位暗电平以及其它控制脉冲极性都是通过配置3线串行接口实现的。TDA9965的主要特征有[3]：⑴采样频率30MHZ；⑵PGA范围，0～36dB；⑶12bitA/D转换器；⑷箝位及采样保持（CTH）电路可控频率范围，35～284MHZ；⑸可编程3线串行接口配置；⑹低功耗，典型值为425mW；2.1.1箝位及采样保持（CTH）电路箝位及采样保持（CTH）电路是TDA9965的重要组成部分。当外界没有光线射进CCD时，视频信号中依然有压降，这就是暗像元带来的偏压，一般被视为噪声。箝位电路就是用来清除这种噪声的（如图1中的△VBLACK），控制脉冲是CLPOB,CLPADC[3]。采样保持电路采用的相关双采样（CDS）算法可以有效地抑制复位噪声和白噪声。SHP、SHD分别作为第一次采样和第二次采样的驱动信号，第一次采样位于复位周期结束后(图1中的Floatinggatelevel)，第二次采样位于信号的信息阶段(图1中的Videolevel)，两次采样的电压差再减去△VBLACK就代表了不含噪声的信号(如图1中所示的△VDATA)。CLPOB、CLPADC、SHP、SHD具体时序关系如图2所示，它们之间有严格的时间关系,t1=3ns,t2=3ns。3图1CCD输出信号图2CDS时序图2.1.2可编程增益放大电路在TDA9965中，为了适应不同亮度的目标，防止CCD信号过弱或饱和，其含有一个可编程增益放大电路（PGA）的处理单元来控制信号的增益，TDA9965的增益范围为0dB～+36dB,增益的大小由10bitDAC控制，通过3线串行接口来设定[3]。输入代码与增益大小的关系如图3所示。图3增益大小与输入代码的关系2.2TDA9965工作原理TDA9965的工作模式是通过3线串性接口配置的。3线串行接口的三个信号（SEN、SCLK、SDATA）来控制移位寄存器的写入操作，SEN是移位寄存器使能端，SDATA是串行数据输入信号，SCLK是串行移位时钟。芯片内部一共有3个DAC控制器，当A1A0=00时，3线串行接口向10-BITDAC写入10位数据控制ADC箝位电平；当A1A0=01时，3线串行接口向4-BITDAC写入4位数据控制CTH电路的截至频率；当A1A0=10时，3线串行接口向另一个10-BITDAC写入10位数据控制PGA的增益[3]。串口详细设置如下表所示：地址位数据位SD0～SD9A1A000SD0～SD9：ADC箝位参考电平控制；01SD0～SD3：CTH截至频率控制；410SD0～SD9：PGA增益控制；11SD0=1：SHP、SHD低电平有效；SD1=1；CLPOB、CLPADC高电平有效；SD2=1：CLKADC上升沿有效。3.TDA9965驱动时序及硬件电路的实现3.1TDA9965的3线串口初始配置采用目前很流行的现场可编程逻辑器件（FPGA）来实现时序设计，FPGA大大提高了系统的灵活性，因为它具有功能强大、开发过程投资小、周期短、便于修改及开发工具智能化等特点[4]。系统采用Altera公司的EP3C25Q240芯片和VHDL语言编写代码，在QuartusII平台上完成了TDA9965的3线串口的初始配置和驱动时序的设计。图4为通过串口向控制DAC输入数据的时序图及其仿真结果。SEN低电平时，当SCLK的每个上升沿到来时，SDATA向移位寄存器写入数据，数据长度为12位。A1和A0用于选择对哪个功能模块进行配置，后十个数用于对选定的模块进行何种功能的设定。例如，当“A1A0”为“01”时，用于完成CTH截至频率的设定，其中SD0到SD3是有效位，由0至15设定0M到30M的采样频率；当“A1A0”为“10”时，用于完成PGA增益的设定，其中SD0到SD9是有效位，由0至1023设定0dB到36dB的放大范围。图4(A)通过串口向控制DAC输入数据的时序图(B)仿真结果53.2TDA9965时序设计TDA9965包含CLPOB、CLPADC、SHP、SHD、CLKADC、SDATA、SCLK、SEN共八路控制脉冲信号，其中CLPOB、CLPADC分别为暗像元箝位脉冲输入信号和ADC箝位脉冲输入信号，SHP、SHD用于相关双采样，CLKADC为A/D转换提供时钟信号，SDATA、SCLK、SEN用于配置3线串行接口。因为TDA9965所进行的A/D转换是针对CCD视频信号的，所以它的驱动时钟在时序上要和CCD的驱动时钟相匹配。图5为TDI-CCD相机总的时序仿真图。图5TDI-CCD时序仿真图3.3硬件电路设计TDA9965是一款高速、高精度的模数转换芯片，在它的PCB设计中既有模拟电路又有数字电路，我们常常把它看成模拟器件。模拟信号是随时间变化的连续变化的电压和电流有效成分，它对外界的干扰非常敏感；数字信号在上升沿和下降沿处有较高的高频成分，很容易影响周围的模拟信号。因此设计中在输入模拟信号的引脚处都加去藕电容来避免其他引脚中的数字信号的影响。数字电源，模拟电源有效的区别开，分割模拟地和数字地[5]。设计采用4层PCB，TDI-CCD输出的交流模拟信号首先进行倒相和放大处理，然后送入TDA9965，这段信号传输线越短越好。4.结论系统采用FPGA配置TDA9965完成了对TDI-CCD输出视频信号的数字化处理,TDA9965将传统视频处理电路中的相关双采样、可编程增益控制、暗电平补偿、ADC模数转换电路集成到一片芯片上，使视频处理电路大大简单化，同时减小了噪声，减轻了调试带来的负担，使CCD相机朝着小型化发展。[参考文献][1]王庆友.CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2005:P1-5[2]AlfonsoRibes.CameraDesignGuide[R]Canada：DALSA,2005.P1－50.[3]PhilipsSemiconductorsCorporation.TDA996512-bit30Mspsanalog-to-digitalinterfaceforCCDcameras,datasheet,2004Jul05[4]周润景.基于QuartusII的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007.P164-1716[5]周润景.Cadence高速电路板设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.P472-480[6]GeraldC.Holst.CCDArrays,Cameras,andDisplays[M].USA:SPIEOPTICALENGINEERINGPRESS,1998.P58-73.[7]张伯珩.ＣＤＳ器件在ＴＤＩＣＣＤ视频信号处理中的应用[J].西安：光子学报，2000.P82－86.[8]杨秉新.TDICCD相机的信噪比研究[J].北京：航天返回与遥感，2005.P22－24.[9]常丹华.于洋.基于VHDL的CCD驱动时序设计[J].今日电子，2003.P27－29.[10]梁晓莹.岳洪伟.ASIC中的异步FIFO的实现[J].北京：微计算机信息,2007.P246～248[11]李本亮.TDICCD相机数据采集与图像处理技术[J].北京：航天返回与遥感，1998.P64～67文章标题TDA9965工作原理及其在TDI-CCD相机