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小线阵 TCD1209 CCD驱动入门
TCD1209D是由TOSHIBA公司生产的一种高速、高灵敏度、低暗电流的双沟道、二相阵线阵CCD图像传感器，可用于传真、扫描和光学字符识别（OCR）等。该器件内含2088和高灵敏度PN结光电二极管构成的光敏元阵列，其中前32个和后8个用作暗电流检测而被遮蔽，中间2048个光电二极管是可曝光光敏单元，每个光敏单元尺寸为14μm×14μm×14μm，光敏阵列总长28.6mm，最佳工作频率1MHz，最大工作频率20MHz[33]。TCD1209D的特征参数如下表所示，测试条件：环境温度25°C，驱动频率为1MHz，积分时间为10ms，负载电阻为100KΩ时在2856K标准白炽灯光源情况下的特征参数。
特征参数 | 参数符号 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 单位 |
| 驱动频率 | f | | 1 | 20 | MHz |
| 动态范围 | | 2000 | | | |
| 灵敏度 | R | 25 | 31 | 37 | V/(lx.s) |
| 饱和曝光量 | 0.04 | 0.66 | | lx.s | |
| 输出信号的直流电位 | 4.0 | 5.5 | 7.0 | V | |
| 噪声 | | 0.6 | | mV | |
| 饱和输出电压 | 1.5 | 2.0 | | V | |
| 暗信号电压 | | 1.0 | 2.5 | mV | |
| 暗电流电压不均匀性 | | 1.0 | 2.5 | mV | |
| 直流功率损耗 | | 160 | 400 | mW | |
| 总转移效率 | TTE | 92 | 98 | | % |
| 输出阻抗 | | 0.2 | 1 | KΩ | |
| 像敏单元的不均匀性 | PRNU | | 3 | 10 | % |
| PRNU(V) | | 4 | 10 | mV |
TCD1209D驱动脉冲时序结构如下图所示，分析此图知CCD的一个工作周期分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。在光积分阶段，即当SH为低电平时，SH的低电平形成的浅势阱将存储栅势阱与Φ电极下的势阱相隔离，存储栅势阱积累光电二极管产生的光电荷；与此同时转移机构将上一帧转移到模拟移TCD1209D驱动脉冲时序结构如下图所示，分析此图知CCD的一个工作周期分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。在光积分阶段，即当SH为低电平时，SH的低电平形成的浅势阱将存储栅势阱与Φ电极下的势阱相隔离，存储栅势阱
积累光电二极管产生的光电荷；与此同时转移机构将上一帧转移到模拟移位寄存器中的电荷输出并清空像元存储栅势阱中的无效电荷。当SH为高电平，Φ电极下的深势阱与MOS电容的深势阱相沟通，MOS电容的电荷信号包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的Φ电极下的深势阱中，此时时钟脉冲停止工作，输出端没有有效信号输出，一个转移信号周期对应一帧光积分电荷的转移，为了确保每一帧信息的完全转移和可靠读出，CCD器件一般会在每行前后设置若干被遮蔽的无效像元，同时这些无效像元还用作暗电流检测。
上图和下表分别为东芝公司提供的TCD1209D芯片工作手册中的驱动时序脉冲时间要求，其中典型值是在RS脉冲频率为1MHz时的测量值，视频数据时延为负载电阻为100KΩ时的测量值。
[align=center][table]
特征
符号
最小值
典型值
最大值
单位
SH与Φ1脉冲计时t1,t5
200
500
—
ns
SH脉冲上升沿，下降沿时间t2,t4
0
50
—
ns
SH脉宽t3
1000
1500
—
ns
Φ2B脉冲上升沿，下降沿时间t6,t7
0
100
—
ns
RS脉冲上升沿，下降沿时间t8,t10
0
20
—
ns
RS脉宽t9
10
100
—
ns
视频数据时延t11
—
15
—
ns
CP脉冲上升沿，下降沿时间t12,t14
0
20
—
ns
CP脉宽t13
10
100
—
ns
CP与Φ2B脉冲计时t15
0
50
—
ns
CP与RS脉冲计时t16
0
100
—
ns
t1710
100
—
CP与SH脉冲计时t18
200
—
—
ns
[tr]RS与SH脉冲计时t19
200
—
[td=1,1,63][align=center][b]—[/sup][/align][/td]ns
[/tr][/table][/align]对于TCD1209D正常工作的时序要求，其中要强调的一点，即SH和Φ1、Φ2脉冲之间的关系。当SH为高电平时Φ1也必须同步为高电平，当SH为低电平时Φ1也要低下来。但是Φ1脉冲必须比SH脉冲提前上升、迟后下降，其延时至少200ns：Φ1脉冲先上升意味着模拟移位寄存器中接受电荷包的势阱先形成，有利于电荷转移；Φ1脉冲比SH脉冲后下降到低电平是使存储栅和模拟移位寄存器隔离，以免Φ1电极下的电荷倒回到原势阱中去。由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出19个暗信号，然后才连续输出S1到S2048的有效像素单元信号。在S2048信号输出后，又分别输出7个信号，再输出一个奇偶检测信号，以后是为调节积分时间而插入的若干个空驱动周期。
根据系统工作的最高频率要求，TCD1209D的最高工作频率为20MHz，所以本文选用80MHz晶振，进行4等分分频。整个设计包含6个功能模块，以下将按照模块逐一介绍其功能和设计思想：
（1）phi模块，为实现Φ1和Φ2的生成提供初始信号。此模块对晶振进行4分频，以clk时钟的上升沿作为有效信号，通过对clk的计数实现维持2个时钟周期的高电平，2个时钟周期的低电平，得到20MHz的工作频率。如果想得到1MHz的工作频率，可对clk计数，维持40个时钟周期的高电平，40个时钟周期的低电平，其他工作频率可同理实现。
（2）sh模块，用来产生SH信号。因Φ1与RS周期相同，以phi的上升沿作为响应信号，并对phi进行计数，因为1个周期至少包含2088个Φ1脉冲，并包含至少1个Φ1周期的高电平。此模块与phish模块结合，利用上一节提出的方法，即可对ADC输出延时造成的缺点进行修正。
（3）phish模块，这个模块的功能是对phi的“非”进行计数，维持2087个phi周期的低电平后，产生维持3个phi周期的高电平。这个模块与phi的“非”进行“或”运算以后，产生了最终的Φ1和Φ2。
（4）rscp模块，顾名思义，产生RS和CP的模块，对clk进行占空比为1：3的4分频，根据时序图，在Φ1的高电平期间，RS和CP相继产生高电平，可通过计数来产生，当SH为高电平的时候，满足RS、CP为低电平。
（5）sample模块，产生与phi信号有一个clk周期的相位差的信号，这样的信号可以利用上升沿对OS信号进行采样，经后面的sm_clk模块处理后，即可成为真正的AD9445采样时钟信号。关于采样时刻的选择，
（6）sm_clk模块，产生提供给AD9445的差分时钟信号，以RS的上升沿为有效信号，对RS进行计数，当超过32到2093时产生高电平作为sample输出的使能信号，同时对sample取“非”，即可输出两路差分时钟信号。
有一点需要注意：从CPLD芯片输出的信号是3.3V的LVCOMS信号，而TCD1209D使用的是5V驱动信号，故CPLD输出的信号不能直接加到CCD芯片上，为解决这一问题，采用外围电路提高驱动能力。本系统采用的是反相驱动器驱动原理产生CCD驱动时序，不但使信号能够满足CCD的需求，而且大大简化了电路设计，提高了可靠性，降低了功耗。同时由于反相驱动器对信号作了反相，因此在实际使用时在原理图顶层文件中CCD各时序信号输出也各接了一个非门，保证信号输出一致。
选定器件型号以后，在QuartusII下编译成功，设计占用逻辑单元占器件总逻辑单元的88%，管脚占总数的20%，可见器件的选型非常合适。因为MAXII CPLD供给TCD1209D的时钟经过一个反相器以增强驱动能力，所以仿真波形应该是与真正的驱动时序呈反相关系，下图为仿真波形。
通过JTAG口将程序下载到MAXII CPLD器件中，用示波器观察其提供给CCD的驱动脉冲时序信号、提供给LTC1741的采样时钟，以及CCD的OS管脚输出信号，如图，由于TCD1209的典型工作频率是1Mz，我们先测试了工作频率为1MHz时的CCD驱动时序，可见其完全满足芯片正常工作的要求，并为LTC1741提供了差分采样时钟，且正向采样时钟的上升沿可以保证LTC1741采样到正确的数据。
提高驱动时钟频率到10MHz，此时CCD工作在10MHz。由于PCB分布参数的影响，信号质量明显变差，但仍可满足CCD工作的要求。由于此时CCD工作频率较高，相应的积分时间很短，普通的灯光下OS信号很弱，故在测试中使用小功率半导体激光器作为照明光源。
从示波器观测到的波形来看，矩形脉冲的边沿已经很不理想，造成这种情况的有可能是因为PCB设计时阻抗考虑不周。而且由于CCD可以看做是一个容性负载，高速工作下要获得好的边沿特性对驱动信号的驱动能力特别是灌电流能力和泄流电阻要求比较严格，本设计中采用的是非门进行驱动，驱动能力有限。建议以后可以尝试添加快速放电部分，并适当加强驱动能力。
按照CCD工作原理，在不同光照条件下，CCD的输出信号OS电平也应有所差别，在保证CCD不溢出情况下光强越强，CCD输出OS波形电压幅值越大。如下图所示分别为三种光强条件下的OS输出波形图。我们通过照度计（型号为ZDS-10）测量弱光时光照度为2.38(lx)，中等光强时光照度为12.8(lx) ，强光时光照度为26.5(lx)。从示波器上观察到弱光时 Vpp=0.7V，中等光强时Vpp=1.26V，强光时Vpp=1.86V，从图中可以看出，随着光强的增大，CCD的输出信号OS的电压也增大。
另外在调试CCD信号采集板时，为防止意外损坏CCD芯片，应先用万用表测量CCD芯片插座各管脚的电压值，观察是否在正常范围内，再用示波器探头检测各插座中各个CCD所需时序脉冲波形、相位是否正确，最后关掉电源插上CCD芯片。
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