数码相机的CCD前端系统方案
关键词：
ccd , 前端系统 , 数码相机
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。
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数码相机的CCD前端系统方案
中国断路器锁领域发展现状如何
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苹果最新VR专利曝光，暗示自动VR汽车未来
目前商用机器人已经驶入了发展的快车道
自主技术研发 纳特通信射频功率放大器使用更安全、更方便
如何利用大数据和人工智能构建智慧城市
Spring开发过程中依赖注入的几个知识点
如何用开放式开发工具掌握AUTOSAR架构
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线性稳压器的基本类型、特点及设计事项说明
用先进技术与优秀服务来支持当今的国防产业
二极管的电容效应势垒电容CB介绍
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。
标致将更换全新车标 兰博基尼直呼内行
微软IE 9浏览器将更广泛支持HTML5
可控硅如何测量好坏？单向与双向怎么区分？
汽车芯片库存见底后，中国会怎么样？
TCL华星赵军：明年印刷OLED将小批量量产赶超日韩
数码相机的CCD前端系统方案
中国断路器锁领域发展现状如何
隔离开关电源同步整流器数字控制与驱动技术
苹果最新VR专利曝光，暗示自动VR汽车未来
目前商用机器人已经驶入了发展的快车道
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