AD9847的原理及其在CCD 成像系統(tǒng)中的應用

隨著晶圓工藝的不斷發(fā)展，CCD相機和攝像機的發(fā)展也趨于小型化、智能化、功能多樣化。隨著45 nm甚至40 nm技術的發(fā)展，無論是消費級還是科學級攝像機，設計師們在設計時更愿意選擇小型且功能強大的芯片。ADI公司推出的業(yè)界通用AFE已經配置于多種知名的高性能數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機，憑借這種技術專長，ADI現(xiàn)已能夠為用于高端數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機以及高性能科學和工業(yè)圖像處理應用（例如，機器視覺、生物醫(yī)學圖像處理和碰撞測試分析)的互補金屬氧化物半導體(CMOS)和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器提供專業(yè)的AFE數(shù)據(jù)轉換器。

1 CCD成像系統(tǒng)組成

CCD成像系統(tǒng)設計領域較多，包括光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、CCD驅動電路系統(tǒng)、狀態(tài)控制系統(tǒng)及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等[1]。本系統(tǒng)框圖如圖1，其中光學鏡頭部分沒有標出。系統(tǒng)處理流程為：CCD在驅動信號控制下，將經由光學鏡頭透過的光信號變換為電信號，即模擬視頻信號。視頻信號分為左右兩邊經兩路AD9847進行模數(shù)轉換，轉換后數(shù)字信號送入FPGA進行一系列處理最終送至終端。系統(tǒng)中FPGA采用XILINX公司的XC4VLX25。一般FPGA處理后的信號根據(jù)終端的不同而相應地給出標準信號以便進行圖像顯示。該系統(tǒng)中終端為高清監(jiān)視器，故最終接口為HDSDI接口。

AD9847在系統(tǒng)中需與FPGA聯(lián)合工作。因AD9847集成TD(Timing Driver)，所以可以為CCD提供垂直驅動信號、復位信號、箝位信號及消隱信號。系統(tǒng)中CCD采用柯達KAI-2093^[2]，最高工作頻率為40 MHz，系統(tǒng)工作頻率為37.125 MHz，RG信號的窄脈沖達到200 MHz高頻；FPGA是系統(tǒng)中的核心器件，如果以上信號都由FPGA提供，則對FPGA有很高的性能要求，故采用驅動信號由AD9847與FPGA聯(lián)合提供的方式工作。AD9847的加入使得成像系統(tǒng)體積減小、操作簡便。AD9847不同于其他AFE的地方就是它除了可以對視頻信號進行相應處理外還，可以為CCD提供足夠驅動能力的驅動信號，最高可達24.5 mA。

2 AD9847的介紹

2.1 主要特點

AD9847是美國ADI公司的一款面向CCD的、完善的低功耗單通道模擬信號處理器。AD9847可以工作在三種模式下，對面陣CCD信號、模擬視頻信號和普通的交流信號進行A/D轉換。AD9847以其高精度、高速度的模數(shù)轉換能力，及其所具有的完善的性能結構，廣泛應用在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、科學研究等領域的高精度圖像采集系統(tǒng)中^[3]。

AD9847的主要特征：

(1)10 bit、40 MHz的A/D轉換器；

(2)40 MHz相關雙采樣（CDS）；

(3)-2 dB～+10 dB像素增益放大器（PxGA）；

(4)2 dB～+36 dB，10 bit可變增益放大器（VGA）；

(5)低噪聲可變增益控制的箝位電路；

(6)模擬視頻信號預息影功能；

(7)精準的時鐘核，40 MS/s時的分辨率為500 ps；

(8)3線串行接口配置；