KAI-02150的CCD模擬前端采集電路設計

摘要 針對Kodak公司生產的CCD圖像傳感器KAI-02150，設計了雙通道模擬前端采集電路。給出了電路的結構組成，根據KAI-02150的驅動和輸出參數要求設計了各個模塊的具體電路。通過SPI接口對AD9920A的寄存器進行配置，可以滿足多種工作模式切換的需要。與傳統的CCD模擬前端采集方案相比，文中的設計更加靈活簡單、穩定可靠。測試表明，設計的輸出驅動時鐘滿足KAI-02150的輸入要求，可以驅動CCD輸出模擬信號，并完成相關雙采樣和A／D轉換得到數字視頻信號。
關鍵詞 KAI-02150；CCD；模擬前端采集；AD9920A

KAI-02150圖像傳感器是Kodak公司設計生產的全高清行間轉移CCD(Charge-coupled Device)，有效圖像分辨率為1 920×1 080，支持四通道輸出，圖像最高輸出幀率可達64fip·s-1，主要用于工業圖像、醫療圖像、安防監控等領域。
CCD的模擬前端采集電路設計主要用于對CCD提供水平和垂直驅動時鐘信號，放大調理CCD輸出的模擬信號，對CCD輸出模擬信號進行模數轉換，提供必要的幀和行的同步信號來進行數字視頻信號的輸出。所以CCD模擬前端采集電路的設計對于整個數字攝像機的最后成像質量起著重要的作用。一般如SONY公司針對所生產的CCD都提供了相應的前端采集電路的參考設計方案，但Kodak公司沒有在技術文檔中提供相關信息。文中針對KAI-02150的參數特點設計了雙通道模擬前端采集電路，性能穩定可靠，模式設置方便靈活，減輕了軟件設計的負擔。

1 KAI-02150圖像傳感器芯片簡介
Kodak公司生產的KAI-02150是一款1080p的2／3”大小的逐行掃描行間轉移CCD傳感器，其主要特征有：噪聲低、動態范圍寬、成像性能出色、信號讀出結構靈活，支持1、2或者4通道信號同時采集，全分辨率圖像最高采集速度可達64 fip·s-1。KAI-02150在水平時鐘頻率達到40 MHz時，其雙通道輸出幀率可以達到33 fip·s-1，完全滿足普通安防監控的需要。

2 雙通道模擬前端采集電路的設計
2．1 模擬前端采集電路總體設計思路
KAI-02150在進行光電轉換的同時需要外部對其提供水平和垂直時鐘等驅動信號，使得每個像素的模擬電壓值進行串行輸出。CCD信號采集處理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直時鐘時序信號的同時對CCD模擬輸出信號進行模數轉換，并輸出相應的視頻同步信號。由于KAI-02150的驅動信號電平要求與AD9920A時序信號輸出電平不相符，需設計時鐘驅動電路對水平、垂直驅動與電子快門等信號進行電平的轉換，同時起到隔離、緩沖、提高帶負載能力等功能。在整個采集過程中，需要對AD9920A進行初始化和對采集到的雙通道視頻信號進行幀圖像的合成和預處理，文中使用FPGA精確控制AD9920A的初始化和視頻采集傳輸過程。

文中采用的模擬前端采集電路主要由CCD傳感器、時序控制采集電路、時鐘驅動電路組成，組成結構如圖1所示。FPGA對模擬前端采集電路進行初始化并對采集到的視頻進行預處理。