数码相机的CCD前端系统方案 - 音频/视频/显示 - 电子工程师

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CCD(电荷藕合组件)
　　
因不同种类的工作需求，业界发展出不同的类型的CCD：Line(线型)，Interline(扫描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全传)。线型CCD是以一维感光点构成，通过步进马达扫描图像，由于照片是一行行组成，所以速度较二维的数码相机来得慢，这种CCD大多用在平台式扫描仪上。扫描型的CCD曝光后所产生的电荷都被转移到附近的移位寄存器，通过垂直传送向下转移到底部，按一定排序输出，它的优点在于曝光后即可将电荷储存在寄存器，继续拍照速度较快， 缺点是寄存器占用了感光面的面积， 相应地牺牲了动态范围，这种CCD成本较低，多用在监视器、拍照手机、或低档数码相机上。全景CCD是一种架构更简单的感光设计，鉴于扫描型的缺点，全景型可以利用整个感光区域(没有寄存区的设计)，有效增大感光面积，同时也适应长时间曝光，其曝光过程和线型相同， 不过感光和电荷输出过程是分开的。因此全景CCD的数码相机在传送电荷时必须使用机械快门(无法使用电子快门)，同时，也限制了全景CCD的连续拍照的能力。全景型大多用在专业级相机上。全传CCD的架构介于扫描和全景之间， 有时也叫全扫描型，它分成上、下部分，上半部分是感光区，下半部是暂时存储区。整体来说全传CCD非常类似全景CCD，它的特点在于直接规划一个大型寄存区。一旦全传CCD工作，它可以迅速将电荷转移到下方的寄存区中，本身可以继续曝光拍照。这种设计，让全传同扫描一样可以使用电子快门， 同时也可以增加感光面积和速度， 兼顾动态和静态的拍摄能力。大多数数码相机采用此类CCD。

图1全扫描CCD的内部结构　　
一般数码相机都带有预览(Preview)和录像(Rec)功能，在这里电子快门就起到了关键的作用。图2为电子快门控制像素的曝光过程。
　　
　　图2电子快门控制像素的曝光　　
图3为CCD内部示意图，当一幅图像曝光后，就需要将感光电荷从CCD输出，为了让感光的电荷输出，电荷先到垂直寄存器，通过垂直驱动脉冲(Φ1~Φ9)将每一行的电荷转移到水平寄存器，水平寄存器在水平驱动脉冲(ΦH1，ΦH2)驱动下，往CCD OUT方向移动，在末段有一放大器，ΦRS，ΦH1，ΦH2脉冲的作用下将电荷转换为电压，从CCD OUT 输出。
　　
　　图3 CCD内部等效电路图　　
CDS(相关两次取样)
　　
业界所称的CDS 是由时序发生器(Timing IC)、垂直驱动器(V-driver)、模拟信号处理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作时序、电平并将CCD输出的模拟信号进行取样、放大、模数转换，将图像数据传给DSP进行图像处理。
　　
时序发生器有一个寄存器，通过3根串口线进行各种设定：模式设定(拍照、录像或预览)，电子快门和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦADCK,ΦDCLK相位调整，等等。
　　
模拟信号处理器(AFE IC)有一个寄存器，通过3根串口线进行各种设定：CCD输出信号放大倍数(GAIN)，默认“全黑”时电平，等等进行设定。
　　
相关两次取样：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脉冲的作用下CCD信号输出，当复位(RS)完成， 由于CCD暗电流的存在，CCD OUT不是为“0”，FCDS脉冲取样Vprec。当H2为高电平时，图像信号输出，FS脉冲取样Vdata，两者的差值就是图像信号Vcds，这就是相关两次取样，如图4所示。
　　
　　图4CCD的相关两次取样　　
电路设计
　　
本文以某款7百万像素的数码相机设计作为说明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸为1/2.5英寸，像素总数为水平3098×垂直2328，有效像素为3088×2320(共716万像素)，像素单元为1.9mm×1.9mm，支持视频模式(30帧/s，15帧/s)。CDS采用SHARP公司推荐搭配此CCD的LR38678，工作电压为3.3V，TG主频67.5MHz，提供CCD的驱动频率为33.75MHz。
　　
图5为电路原理图， 基本按照厂商推荐值进行设计。CDS的POFD输出电子快门信号经电平转换在CCD OFD输入。此CCD可以工作在不同的模式，见表1(A，B，C，取样的条数不同)，通过串口设定OFDC，OFDC2电位来达到不同的工作模式表2(录像、监视和拍照)，在录像、监视模式，图像是按一场输出，1VD一幅图像，但每幅图像只是抽取CCD部分条数。当在拍照模式，CCD上全部像素信号都要输出，一幅图像是由5帧输出，1VD对应1帧，具体时序见图6 CCD时序。CDS将CCD信号AD转换成D0~D11数字数据传输给DSP，同时伴随时钟信号，VD，HD信号。
　　
　　图5电路原理图　　
　　图6CCD时序　　
相机的前端系统对电源要求很高，很容易将电源噪声反应在图像信号上，一般都选用低压稳压器(LDO)，本文使用RT9013-33 LDO，具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比，电流最大值达到500mA。CDS 3组电源中，以TG电源负载最大，工作时负载变化很大，一般选用较低ESR 47uF以上的钽电容，假如此路电源处理不当，会出现竖条纹。-7V和+13V也要求较低的纹波。
　　
本文采用晶振电路能够满足要求
　　
零件摆放和走线(LAYOUT)，CCD前端系统是数码相机的心脏，是像的来源，在系统设计中处于优先考虑的位置。CCD和CDS按尽量靠近的原则。CCD输出的信号，工作频率达到33.75MHz，路径要短，最好在同一层，线周围不但要包地，PCB板上、下层也要铺地，避免受其它信号源的干扰和干扰其它信号源。CCD其它信号线H1,H2,RS,工作频率33.75MHz,也要同CCD输出信号一样处理。前端系统的CCD GND,同相机系统的GND要单独分开， 避免数字地的影响。相机尺寸朝小型化发展,在系统的设计中, 前端系统尽量远离其它干扰源,或预先屏蔽。
　　
由于LAYOUT 和零件差异性，CCD前端系统需对高速信号H1，H2，RS，ACLK，DCLK，FCDS，FS相位调整，以便正常工作，获得最佳的图像信号。用示波器观察波形调整， 要注意选择合适探头测试。

调整CDS的DCLK相位，使传输DSP的时钟数据线同步。假如不能同步，DSP接收不到正确的图像信息。此CDS上没有对H1，H2相位的调整，只能通过外部电路调整串联电阻阻值。厂商对H1，H2，RS提供建议值，假如H1，H2偏离标准值，会造成图像信号传输不完整，影响图像质量。
　　
调整RS，ACLK，DCLK，FCDS，FS相位，都是通过串口改变TG寄存器的数据。一种方法用示波器观察波形，使RS和H1在同一上升沿，FCDS的上升沿比H1的下降沿稍迟一点，RS的上升沿比FS的上升沿稍迟一点， ADCK的上升沿比FS的上升沿稍迟一点。另一种方法是固定好光圈，快门速度，Gain(增益)值，光源，改变不同的相位值对色板拍照， 用PHOTOSHOP打开照片，记录色阶分布中的“平均值”和“标准偏差”，“平均值”指的是照片的亮度，反应CCD的输出能力，数值越大，CCD的信号输出越大，“标准偏差”(描述亮度范围的单位)数值越大，杂讯越大。取“平均值”和“标准偏差”数值绘制图表曲线，取“平均值”和“标准偏差”平衡点，即较大的亮度和较小的杂讯。照片对应的相位值就是比较理想的调整值。或此两种方法相互运用，再加上实拍，求得调整值。
　　
结语
　　
数码相机的CCD的前端系统设计是整台相机设计的关键， 随着相机向高像素，高图像品质发展，工作频率越来越高，对元器件特性和前端系统要求更高。