專利名稱：Ccd圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器的視頻采樣處理電路，尤其涉及一種CCD 的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路。
背景技術(shù)：
CCD圖像傳感器己經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各種成像領(lǐng)域。它屬于光電變換傳感器，能把光信 號變換成電荷包信號，然后CCD片上放大器對電荷包進(jìn)行測量，把電荷包信號轉(zhuǎn)換為電壓 信號。圖6所示就是CCD視頻信號輸出電壓波形。其中A為復(fù)位脈沖前饋，是無用的干擾 信號。B為復(fù)位參考電平，C為像素電平，二者的差值就是該像素的亮度信息。因此，我 們需要對B和C兩個電平進(jìn)行采樣，然后對這兩個電平進(jìn)行相減就得到像素的亮度信息， 即相關(guān)雙采樣技術(shù)。通過相關(guān)雙采樣技術(shù)可以有效地降低CCD視頻信號的復(fù)位噪聲和低頻 噪聲。
傳統(tǒng)的相關(guān)雙采樣技術(shù)是在模擬域中進(jìn)行的，如圖7所示。首先通過第一個模擬開關(guān) 對復(fù)位電平進(jìn)行采樣，采樣的信號通過電容進(jìn)行保持。然后通過第二個模擬開關(guān)對像素電 平進(jìn)行采樣，采樣的信號同樣通過電容進(jìn)行保持。這兩個保持電容上的信號接到了模擬的 差分放大器的輸入端進(jìn)行減法運(yùn)算，從而獲得像素的亮度信息。最后，把差分后的信號接 入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換來獲得最終的數(shù)字圖像。目前AD公司、PHILIPS公司等都生 產(chǎn)了這樣的集成電路產(chǎn)品，如AD公司的AD9842， PHILIPS公司的TDA8783等。這些集成 電路的主要缺點(diǎn)是在模擬域中進(jìn)行減法運(yùn)算，精度不能達(dá)到最高的技術(shù)要求。此外，可供 選擇的型號相對較少，工作速度相對不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路，以克服目前CCD 圖像傳感器的視頻采樣中傳統(tǒng)的相關(guān)雙采樣技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，提高其處理精確度。本發(fā)明CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路，主要包括預(yù)放及偏置電路、高速模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字減法器電路和時序發(fā)生器電路；CCD輸出的視頻信號首先經(jīng)過所述的預(yù)放 及偏置電路把信號電平調(diào)整到高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)；然后，把調(diào)整后的信號接入 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，其采樣點(diǎn)受時序發(fā)生器模塊控制，分別 對CCD視頻信號的參考電平和像素電平進(jìn)行采樣；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號連接到數(shù)字減法器， 數(shù)字減法器對參考電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和像素電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的差值 即為最終的數(shù)字圖像輸出；時序發(fā)生器除了和模數(shù)轉(zhuǎn)換連接外，還和數(shù)字減法器連接，負(fù) 責(zé)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的采樣時序和數(shù)字減法器需要的時序。
所述的預(yù)放及偏置電路
由于CCD輸出的視頻信號具有較高的直流偏置電平，而模數(shù)轉(zhuǎn)換電路又不能處理這樣 高的直流電平，因此要去掉該直流電平并把信號偏置到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍內(nèi)。預(yù)放 電路還要提供一定的增益^((/)，使CCD信號的動態(tài)范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍相匹 配。此外，預(yù)放電路還要根據(jù)CCD信號頻率對帶寬進(jìn)行限制。設(shè)輸入到預(yù)放電路的CCD 信號為v,.,偏置電平為 ，則經(jīng)過預(yù)放及偏置電路后的輸出信號為
v。"(/)(v,.1)
其中^(/)表示增益和帶寬限制。
所述的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)對CCD信號參考電平和像素電平進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于是相關(guān) 雙采樣，若CCD的像素時鐘頻率為/w，則采樣頻率/_=2/^，即是像素時鐘頻率的2倍。 因此要選擇模數(shù)變換器的最高工作頻率至少是像素時鐘頻率的2倍。模數(shù)變換器的位數(shù)則 根據(jù)CCD信號的動態(tài)范圍以及應(yīng)用需求來選擇。
所述的數(shù)字減法器電路
數(shù)字減法器是對CCD信號參考電平轉(zhuǎn)換值A(chǔ)^和像素電平轉(zhuǎn)換值D^進(jìn)行減法運(yùn)算， 得到需要的數(shù)字圖像D,^ =JD^-i)< 。由于A^和D^是按時間順序先后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 的，因此數(shù)字減法器電路只需對當(dāng)前轉(zhuǎn)換值和前一時刻轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法處理即可。所述的時序發(fā)生器電路
時序發(fā)生器電路用來產(chǎn)生相關(guān)雙采樣的時序和數(shù)字減法器的時序。利用上升沿對信號 進(jìn)行采樣，則A沿對應(yīng)采樣參考電平，B沿對應(yīng)采樣像素電平。
傳統(tǒng)的相關(guān)雙采樣電路在模擬域進(jìn)行采樣并用差分放大器進(jìn)行減法處理。本發(fā)明采用 數(shù)字減法器對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號直接進(jìn)行減法處理。和傳統(tǒng)的在模擬域處理不同，本 發(fā)明通過先進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后在數(shù)字域進(jìn)行數(shù)字減法來實(shí)現(xiàn)相關(guān)雙采樣技術(shù)。在數(shù) 字域進(jìn)行處理的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字減法器更精確。此外可供選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換器種類較多，從而可 以增加電路設(shè)計(jì)的靈活性。


圖1是本發(fā)明CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路示意框圖； 圖2是預(yù)放及偏置電路示意圖； 圖3是實(shí)現(xiàn)數(shù)字減法器示意框圖； 圖4是相關(guān)雙采樣時序波形；
圖5是FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字減法模塊和時序產(chǎn)生模塊示意圖； 圖6是CCD視頻信號輸出電壓波形； 圖7是傳統(tǒng)的相關(guān)雙采樣技術(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示， 一種CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路，主要包括預(yù)放及偏置電路、 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字減法器電路和時序發(fā)生器電路；CCD輸出的視頻信號首先經(jīng)過所 述的預(yù)放及偏置電路把信號電平調(diào)整到高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)；然后，把調(diào)整后的 信號接入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，其采樣點(diǎn)受時序發(fā)生器模塊控 制，分別對CCD視頻信號的參考電平和像素電平進(jìn)行采樣；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號連接到數(shù)字 減法器，數(shù)字減法器對參考電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和像素電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法運(yùn)算，得 到的差值即為最終的數(shù)字圖像輸出；時序發(fā)生器除了和模數(shù)轉(zhuǎn)換連接外，還和數(shù)字減法器連接，負(fù)責(zé)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的采樣時序和數(shù)字減法器需要的時序。
所述預(yù)放及偏置電路采用如圖所示電路加以實(shí)現(xiàn)，采用運(yùn)算放大器進(jìn)行作為核心器 件，根據(jù)CCD工作速度選擇具體型號，例如可以采用AD公司的高速運(yùn)算放大器AD811。 整個電路配置為反相放大器。CCD視頻輸入信號經(jīng)過電阻從反相輸入端輸入。運(yùn)算放大器 的同相端作為偏置輸入，通過調(diào)節(jié)偏置電壓使輸出信號符合模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入的要求。接在反 相端和輸出端的電容用來限制放大電路的帶寬。限制帶寬可以降低噪聲且防止模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路的采樣頻譜混疊。
所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以選擇集成電路加以實(shí)現(xiàn)，具體型號可以根據(jù)具體應(yīng)用來選 擇。例如可以選擇TI公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS826。該轉(zhuǎn)換芯片可以單電源工作，分 辨率為10位，信噪比達(dá)到60dB，微分非線性誤差為0.25LSB，最高轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到 60MHz。該轉(zhuǎn)換芯片可以用在CCD像素時鐘達(dá)到30MHz的情況下，滿足目前常用CCD的速 度要求。
如圖3所示，所述數(shù)字減法器電路可以采用FPGA來實(shí)現(xiàn)，由于CCD參考電平和像素電 平是按時間順序先后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的，因此數(shù)字減法器電路只需對當(dāng)前轉(zhuǎn)換值和前一時刻 轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法處理即可。采用流水線延時觸發(fā)器來對前一時鐘采樣值進(jìn)行存儲，然后對 當(dāng)前時鐘和前一時鐘的值進(jìn)行減法運(yùn)算得到最終結(jié)果。采用FPGA實(shí)現(xiàn)時，由于結(jié)構(gòu)較簡 單，即可以采用原理圖輸入，也可以采用硬件描述語言輸入。
所述時序發(fā)生器電路也采用FPGA來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)圖4所示的時序脈沖時，應(yīng)具有采樣 邊沿相位調(diào)整的功能，這用FPGA也能方便地實(shí)現(xiàn)。時序發(fā)生器電路和數(shù)字減法器電路可 以采用一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)。例如可以采用Xilinx公司的Spartan3系列中的XC3S50就可以實(shí) 現(xiàn)。圖5所示為FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時序發(fā)生器電路和數(shù)字減法器電路的細(xì)節(jié)。時序發(fā)生器電路 除了產(chǎn)生數(shù)字減法器的時鐘外，還產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣時鐘并輸出到FPGA外部。
采用上述具體的電路實(shí)施措施就可以完成CCD數(shù)字相關(guān)雙采樣電路的功能。由于在 數(shù)字域進(jìn)行減法處理，因此處理更精確，電路設(shè)計(jì)更方便。
權(quán)利要求
1. 一種CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路，包括預(yù)放及偏置電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字減法器電路和時序發(fā)生器電路，其特征在于CCD輸出的視頻信號首先經(jīng)過所述的預(yù)放及偏置電路把信號電平調(diào)整到高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)；然后，把調(diào)整后的信號接入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，其采樣點(diǎn)受時序發(fā)生器模塊控制，分別對CCD視頻信號的參考電平和像素電平進(jìn)行采樣；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號連接到數(shù)字減法器，數(shù)字減法器對參考電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和像素電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的差值即為最終的數(shù)字圖像輸出；時序發(fā)生器除了和模數(shù)轉(zhuǎn)換連接外，還和數(shù)字減法器連接，負(fù)責(zé)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的采樣時序和數(shù)字減法器需要的時序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種CCD圖像傳感器的數(shù)字相關(guān)雙采樣電路，包括預(yù)放及偏置電路，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)字減法器電路以及時序發(fā)生器電路，CCD輸出的視頻信號首先經(jīng)過預(yù)放及偏置電路把信號電平調(diào)整到高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍內(nèi)；高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對輸入信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，其采樣點(diǎn)受時序發(fā)生器模塊控制，分別對CCD視頻信號的參考電平和像素電平進(jìn)行采樣；數(shù)字減法器對參考電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值和像素電平的模數(shù)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行減法運(yùn)算，得到的差值即為最終的數(shù)字圖像輸出。時序發(fā)生器電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換需要的采樣時序和數(shù)字減法器需要的時序。采用數(shù)字減法器對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號直接進(jìn)行減法處理，比目前傳統(tǒng)技術(shù)處理精度明顯提高。
文檔編號H04N5/217GK101521741SQ20091006677
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者薛旭成, 郭永飛 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所