中心議題:
- 基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)
解決方案:
- 采用基于CPLD的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)線陣CCD的驅(qū)動(dòng)
- 以CPLD為驅(qū)動(dòng)中心而設(shè)計(jì)
論述了線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的工作原理和現(xiàn)狀,選擇基于CPLD驅(qū)動(dòng)線陣CCD工作的方案。采用MAXⅡ器件的EPM240T100C5N為控制核 心,以TCD1500C為例,設(shè)計(jì)了基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路,完成了硬件電路的原理圖的設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了軟件調(diào)試。通過QuartusⅡ軟件平 臺(tái),對其進(jìn)行了模擬仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足CCD工作所需的驅(qū)動(dòng)脈沖。
如何實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)裝置角度和位移測量,一直是系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,各種新型器件不斷涌現(xiàn),其中線陣CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件因其所具有的高精度、無接觸、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用越來越廣泛。
1 總體方案設(shè)計(jì)
線陣CCD一般不能直接在測量裝置中使用,因此CCD驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理是設(shè)計(jì)高精度、高可靠性和高性價(jià)比線陣CCD驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵。
傳 統(tǒng)驅(qū)動(dòng)CCD的設(shè)計(jì)方法使CCD的工作頻率較慢,信號輸出噪聲增大,不利于提高信噪比,不能應(yīng)用于要求快速測量的場合。而用可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行驅(qū) 動(dòng),則可提高脈沖信號相位關(guān)系的精度,以及提供給CCD驅(qū)動(dòng)脈沖信號的頻率,而且調(diào)試容易、靈活性高。目前,在工業(yè)技術(shù)中,多采用基于CPLD的驅(qū)動(dòng)電路 實(shí)現(xiàn)線陣CCD的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 CPLD的硬件電路的設(shè)計(jì)
以CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件為核心,設(shè)計(jì)線陣CCD的驅(qū)動(dòng)電路。然后在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展,選擇其他元器件,設(shè)計(jì)出與其相配套的電路部分,經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。
CPLD 的電路由5部分組成,有源晶振向EPM240T100CSN的U1A的IO/GCLK0口輸入時(shí)鐘脈沖CLK0,提供了CPLD工作的時(shí)鐘脈沖,因?yàn)闀r(shí)序 邏輯的需要。U1C從JTAG端口中下載程序,U1B的52、54、56、58口輸出脈沖信號。U1D管腳接3. V電壓,U1E管腳接地。電路原理如圖2所示。
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2.2 DC/DC模塊的設(shè)計(jì)
為得到CPLD所需的電壓,外接電源需要經(jīng)過DC/DC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為進(jìn)一步減少輸出紋波,可在輸入輸出端連接一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò),電路原理如圖3所示。
2.3 穩(wěn)壓模塊的電路設(shè)計(jì)
由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換的直流電壓,經(jīng)過一個(gè)R11電阻和一個(gè)發(fā)光二極管接地,發(fā)光二極管指示燈,然后從AMS芯片的Vin端輸入,進(jìn)入到芯片的內(nèi)部,經(jīng)過一系列的計(jì)算,從Vout輸出3.3 V電壓,GND端端口接地。為消除交流電的紋波,電路采用電容濾波,分別用0.1μF的極性電容和10μF的非極性電容組成一個(gè)電容濾波網(wǎng)絡(luò)。電路原理如圖4所示。
2.4 CCD電路設(shè)計(jì)
CCD電路采用TCD1500C,它是一個(gè)高靈敏度、低暗流、5340像元的線陣圖像傳感器。其像敏單元大小是7 μm×7μm×7 μm,相鄰像元中心距7μm,像元總長37.38mm。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。TCD1500C的測量精度和分辨率都很高,并且只需4路驅(qū)動(dòng)信號:SH、φ、RS、SP。電路原理如圖5所示。
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2.5 電平轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)
由于CPLD輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓為3.3 V,而CCD工作所需的驅(qū)動(dòng)脈沖為5 V,所以需要在CPLD和CCD之間加入—個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。電路原理如圖6所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用 Verilog HDL硬件描述語言,按照模塊化的思路設(shè)計(jì),將要完成的任務(wù)分成為多個(gè)模塊,每個(gè)模塊由一個(gè)或多個(gè)子函數(shù)完成。這樣能使設(shè)計(jì)思路清晰、移植性強(qiáng),在調(diào)試軟 件時(shí)容易發(fā)現(xiàn)和改正錯(cuò)誤,降低了軟件調(diào)試的難度。程序中盡量減少子函數(shù)之間的相互嵌套調(diào)用,這樣可以減少任務(wù)之間的等待時(shí)間,提高系統(tǒng)處理任務(wù)的能力。主 程序如圖7所示。
SH是一個(gè)光積分信號,SH信號的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔代表了積分時(shí)間的長短。光積分時(shí)間為5 416個(gè)RS周期,對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行光積分的分頻,實(shí)現(xiàn)了SH信號脈沖。在光積分階段,SH為低電平,它使存儲(chǔ)柵和模擬移位寄存器隔離,不會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。時(shí)鐘脈沖φ為典型值0.5 MHz時(shí),占空比為50%,占空比是指高電平在一個(gè)周期內(nèi)所占的時(shí)間比率。它是SH信號和占空比為50%的一個(gè)0.5MHz的脈沖信號疊加,所以0.5 MHz的信號和SH信號通過一個(gè)或門,就可以實(shí)現(xiàn)φ信號;輸出復(fù)位脈沖RS為1 MHz,占空比1:3。此外,RS信號和SH、φ信號有一定的相位關(guān)系,通過一個(gè)移位寄存器移相,來實(shí)現(xiàn)RS脈沖信號。
4 仿真實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng)時(shí)鐘周期部分設(shè)置為1 ns,正常工作時(shí)復(fù)位信號RS為高電平,然后對RS、φ、SH信號進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8所示。
5 結(jié)束語
研究的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路主要是以CPLD為驅(qū)動(dòng)中心而設(shè)計(jì),這種方案減少了以往驅(qū)動(dòng)電路的電路體積大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn),增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可 靠性,集成度高且抗干擾能力強(qiáng)。通過對硬件和軟件大量的模擬實(shí)驗(yàn)表明,文中所研究的線陣CCD驅(qū)動(dòng)脈沖信號能夠滿足CCD工作所需的基本功能,達(dá)到了設(shè)計(jì) 要求。