摘要:建立CCD通用测试平台有助于系统研究各类CCD器件的辐射效应及损伤机理。探讨了一种基于CPLD的线阵CCD通用驱动电路设计方法与实现途径。利用MAX2PLUSII开发系统,选用MAX7000S系列CPLD芯片,设计实现了核心驱动主控制器,用于读取外部存储器驱动文件,设置相关参数寄存器,并产生符合参数要求的驱动时序脉冲。在此方法的基础上,完成了基本驱动模块电路的设计。基本驱动模块电路输出波形的测试结果表明,这种设计方法是完全可行的。

关键词:CPLD;CCD;驱动时序;电路设计

随着CCD器件在空间遥感、卫星侦察方面的应用,人们开始关注空间辐射环境对CCD器件辐射损伤效应。研制CCD通用测试平台有助于系统研究CCD在模拟辐射环境中的性能参数变化。精确的驱动时序是CCD器件正常工作的保证。由于CCD的系列种类很多,不同生产商的CCD器件的驱动时序往往是不同的,通常选用专用IC驱动、数字电路驱动、单片机I/O口驱动等方法产生驱动时序。这些方法存在着调试困难、柔性较差、驱动时钟低等缺点。本文探讨了一种基于CPLD的线阵CCD通用驱动电路设计方法。利用MAX-PLUSII开发系统,选用MAX7000S系列CPLD芯片,设计实现了核心驱动主控制器,用于读取外部存储器驱动文件,设置相关参数寄存器,并产生符合参数要求的驱动时序脉冲,适用于各种不同CCD驱动时序要求。在此基础上完成了基本驱动模块的设计。

1　设计思路

CCD是基于MOS电容器在非稳态下工作的器件,具有存储和转移信息电荷的能力。在偏置电压的作用下,MOS电容器的栅极下形成势阱,用于存储信息电荷。MOS电容器的金属栅极彼此足够靠近的情况下,间隙下的表面势由金属栅极的电位决定,从而形成两个MOS电容器下面耗尽层的耦合,使信息电荷从一个MOS电容器转移到另一个MOS电容器。电荷转移是利用耗尽层耦合原理,通过控制MOS电容器栅极偏压的大小来调节势阱的深度,使信号电荷由势阱浅的位置流向势阱深的位置。信号电荷的转移必须按照确定的方向,所以MOS电容器阵列上所加的偏压脉冲必须严格满足相位时序要求,使任何时刻势阱的变化总是沿着一个方向。

CCD器件需要3路以上驱动时序脉冲。例如,线阵TCD132D需要三路驱动脉冲(帧转移脉冲SH,主脉冲ΦM,驱动脉冲ΦCCD),线阵TCD1208AP需要四路驱动脉冲(帧转移脉冲SH,复位脉冲RS,驱动脉冲Φ1、Φ2)。各驱动脉冲必须严格满足相位时序要求,才能保证CCD器件正常工作。常规的驱动电路设计有以下几种方法:面阵CCD通常采用相应的专用驱动IC,但是难以调试,而且无法应用于其他CCD器件;线阵CCD可以采用数字电路驱动、单片机I/O口驱动,或者选用可编程逻辑器件针对特定器件的驱动时序,要求完成驱动电路设计,但是存在适用器件单一、脉冲频率低、设计烦琐等问题。因此有必要设计一种适用于各种CCD器件的通用驱动电路,简化驱动时序设计过程。

CCD的系列种类很多,不同生产商的CCD器件的驱动时序往往是差别很大。因此完成CCD通用驱动电路设计的关键在于区别各种不同的驱动时序。驱动脉冲可以用两个参数描述:1)脉冲宽度(描述驱动时序脉冲形状的参数,包括高电平宽度和低电平宽度);2)相位差(各个驱动脉冲之间的相位关系)。本文采用一种简单的方法可以满足要求:针对每一种CCD器件,编制其每一路驱动脉冲文件。驱动文件包括脉冲总数、延迟时间、脉冲宽度等三种参数。将驱动时序中的每一个脉冲的宽度数据依次写入驱动文件。主控制器读取驱动脉冲文件的相关参数,并设定好相应的寄存器组,就可以按照驱动文件的要求产生驱动脉冲。所以通用驱动电路的基本组成包括主控制器、存储器、寄存器组三个部分,如图1所示。

图1　通用驱动电路基本组成

1)主控制器
在通用驱动电路中,核心电路是主控制器。主控制器控制存储器数据输出,发出寄存器组读信号,配置相应的参数寄存器,并产生符合驱动脉冲参数的驱动时序。主控制器基本结构见图2。

主控制器由脉冲总数计数器P0、脉宽计数器P1、地址计数器PC、寄存器选择器、预读脉冲发生器、读信号发生器组成、延迟单元组成。主控制器的工作过程是这样的:启动信号(E)发出后,预读脉冲发生器产生3个预读脉冲(4PREPULSE),触发读信号发生器产生存储器读控制信号(OEN、CEN、WEN)、寄存器选择信号(CE[3..0])、寄存器读信号(READN)和地址偏移脉冲信号(PCMOVE),触发PC产生地址偏移量,分别预读脉冲总数、延迟时间、第1个脉冲宽度参数,设置相应的参数寄存器。参数寄存器设置完毕后,寄存器选择器产生开始信号(START),触发P1开始计数,同时预读脉冲发生器产生第4个预读脉冲,读入第2个脉冲宽度参数。P1计数结束后。产生脉冲结束信号(PULSEOVER),分别触发P0记录脉冲数,触发读信号发生器产生存储器读控制信号(OEN、CEN、WEN)、寄存器选择信号(CE[3..0])、寄存器读信号(READN)和地址偏移脉冲信号(PCMOVE),预读第3个脉冲宽度数据。如此顺序执行下去,直到P0计数完毕,产生地址复位信号(ADRRESET),使PC复位。

这里需要注意的是,接收到复位信号后,PC的地址偏移值不是地址0,而是第1个脉冲宽度参数值的地址。所以在PC设计中加入了一个控制端(X),当X为高,表示第1帧数据没有结束,PC输出的地址偏移值从地址0开始;当X为低,表示第一帧数据结束,PC输出的地址偏移值从第一个脉冲宽度参数地址开始。

图2　主控制器基本原理图

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