1、2.1 CCD的简介与应用 72.2 CCD的工作原理 82.2.1 CCD的MOS结构及存贮电荷原理 82.2.2 电荷的转移与传输 92.3 CCD与CMOS工作原理比较 102.4 CCD驱动时序生成技术 123 CCD驱动电路的设计 133.1 线阵CCD驱动电路设计的几种方法 133.2 EPROM驱动方法 133.3 IC驱动方法 143.4 单片驱动方法 153.5 编程逻辑器件设计法 153.6 四种设计方法比较 164 时序电路的设计及仿真 184.1 引言 184.2 输出CCD驱动时序发生器原理 184.2.1 芯片结构说明 184.2.2 驱动时序分析 194.3 CC
2、D驱动时序的CPLD实现 204.3.1 复杂可编程逻辑器件（CPLD） 204.3.2 CCD驱动时序的VHDL描述 214.4 CCD驱动时序的系统仿真 22结束语 25致 谢 26参考文献 27摘要本文的预期目标是用一种硬件描述语言在一种可编程逻辑器件上实现驱动时序生成。在实际成像系统中，成像传感器要输出图像信号，必须有高速时序驱动才能工作。典型的图像传感器都是在一定时序信号驱动下才能将图像信号转化成一定顺序的行列视频原始图像信号。一般分离元件组成的时序发生器电路几乎不可能产生符合如此高速要求的脉冲驱动，而现代可编程逻辑器件符合这一要求，所以常常用在专用的图像传感器驱动时序产生电路当中。
3、本文就是通过基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的CCD的驱动时序电路设计来说明这一问题。本文应用CCD中编程逻辑器件设计法来实现这一电路的设计，用VHDL语言对电路进行描述。因为要检验这一电路是否合乎要求，在最后测试过程中通过QUARTUS软件对驱动时序发生器进行仿真得出仿真波形。最后并比较了仿真波形和理论波形，比较结果表明，该设计电路能满如要求，达到了预期目标。关键词：复杂可编程逻辑器件（CPLD）；CCD；驱动时序；VHDLAbstractThis paper anticipated target is to use a hardware description language in p
4、rogrammable logic devices on its timing generation driver. In the actual imaging system， imaging sensors to output image signal，there must be high speed sequential driver can work. The typical image sensor in certain timing signal is driven by the image signal can be transformed into the ranks of th
5、e correct order video original image signal. General separation components timing generator circuit is almost impossible to produce comply with such high requirements，and the pulse drive modern programmable logic devices conform to this request，so often use in special image sensor drive timing of pr
6、oduce circuit. This paper is based on complex programmable logic devices （CPLD） of CCD driver timing circuit design to explain the problem. This paper applied in the CCD programming logical device design method to realize this circuit design，with VHDL language to circuit is described herein. Because
7、 want to test the circuit is suitable in the final whether，test process through the QUARTUS software simulation to drive timing generator that simulation waveform. Finally and compares the simulation waveform and theoretic waveform，the comparison results show that the circuit design can full if requ
8、est，can achieve the desired goals. Key words: complex programmable logic device （CPLD）; CCD; Driving Time; VHDL1 可编程逻辑器件概述1.1 可编程逻辑器件的发展及应用 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代1-3。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师
9、们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。随着应用系统向高速度、低功耗和低电压方向的发展，对电路设计的要求越来越高传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平的提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高。目前已经可以将整个系统集成在一个芯片上，即片上系统（System on a Chip缩写为SOC）4-6，这种芯
10、片以具有系统级性能的复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）为主要代表。与主要实现组合逻辑功能的CPLD相比，FPGA主要用于实现时序逻辑功能。对于ASIC设计来说，采用FPGA在实现小型化、集成化和高可靠性系统的同时，还可以减少风险、降低成本、缩短开发周期。CPLD（Complex programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）和FPGA（Field programmable Gates Array，现场可编程门阵列）都是可编程逻辑器件7，它们是在PAL、GAL等逻辑器件基础上发展起来的8。同以往的PAL、GAL相比，FPGA/CPLD的规模比较
11、大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用。它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。这种芯片具有可编程和实现方案容易改动等特点。由于芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、ROM、PROM、或EPROM中，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，换一块EPROM芯片，就能实现一种新的功能。它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及实时在检验等优点，因此，可广泛应用于产品的原理设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件9。在现代电子系统中，数字系统所占的比例越来越大。系统发展的越势是数字
12、化和集成化，而CPLD/FPGA作为可编程ASIC（专用集成电路）器件，它将在数字逻辑系统中发挥越来越重要的作用。1.2 可编程逻辑器件的优点固定逻辑器件和PLD各有自己的优点。例如，固定逻辑设计经常更适合大批量应用，因为它们可更为经济地大批量生产。对有些需要极高性能的应用，固定逻辑也可能是最佳的选择。然而，可编程逻辑器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点，包括：PLD在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于PLD来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到。PLD不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品。PLD器件已经放在分销商的货架上并可
13、随时付运。PLD不需要客户支付高昂的NRE成本和购买昂贵的掩模组，PLD供应商在设计其可编程器件时已经支付了这些成本，并且可通过PLD产品线延续多年的生命期来分摊这些成本。PLD允许客户在需要时仅订购所需要的数量，从而使客户可控制库存。采用固定逻辑器件的客户经常会面临需要废弃的过量库存，而当对其产品的需求高涨时，他们又可能为器件供货不足所苦，并且不得不面对生产延迟的现实。PLD甚至在设备付运到客户那儿以后还可以重新编程。事实上，由于有了可编程逻辑器件，一些设备制造商现在正在尝试为已经安装在现场的产品增加新功能或者进行升级。要实现这一点，只需要通过因特网将新的编程文件上载到PLD就可以在系统中创
14、建出新的硬件逻辑。过去几年时间里，可编程逻辑供应商取得了巨大的技术进步，以致现在PLD被众多设计人员视为是逻辑解决方案的当然之选。能够实现这一点的重要原因之一是象Xilinx这样的PLD供应商是无晶圆制造厂企业，并不直接拥有芯片制造工厂，Xilinx将芯片制造工作外包给IBM Microelectronics 和 UMC这样的主要业务就是制造芯片的合作伙伴。这一策略使Xilinx可以集中精力设计新产品结构、软件工具和IP核心，同时还可以利用最先进的半导体制造工艺技术。先进的工艺技术在一系列关键领域为PLD提供了帮助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。1.3 VHDL的基本介绍VHDL
15、的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言10。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IE
16、EE标准的1076-1993版本，（简称93版）。 现在，VHDL和Virology作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Virology语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Lan
17、guage。翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分） 11-13，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部
18、界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。1.4 VHDL系统设计的特点与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点：功能强大、设计灵活。VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言所不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计，既支持模块化设计，又支持层次化设计。支持广泛、易于修改。由于VHDL已经成为IEEE标
19、准所规范的硬件描述语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL，这为VHDL的进一步推广和广泛应用奠定了基础。在硬件电路设计过程中，主要的设计文件是用VHDL编写的源代码，因为VHDL易读和结构化，所以易于修改设计。强大的系统硬件描述能力。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟，还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型，给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统模型。独立于器件的设计、与工
20、艺无关。设计人员用VHDL进行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。很强的移植能力。VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。易于共享和复用14。VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。1.5 VHDL语言的优点传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的
21、设计方法，即根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并画出系统控制流图；然后根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；接着就进行各功能模块的细化和电路设计；各功能模块电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试，最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统，特别是当电路系统非常庞大时，设计者必须具备较好的设计经验，而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期，各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言（Hardw
22、are Description Language，简称HDL）。但这些硬件描述语言差异很大，各自只能在自己的特定设计环境中使用，这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此，开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是，美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL，称之为VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit） Hardware Description Language，简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用电子设计自动化工具进行
23、仿真，再自动综合到门级电路，最后用PLD实现其功能。综合起来讲，VHDL语言具有如下优点：（1）覆盖面广，描述能力强，是一个多层次的硬件描述语言。在VHDL语言中，设计的原始描述可以非常简练，经过层层加强后，最终可成为直接付诸生产的电路或版图参数描述。（2）具有良好的可读性，即容易被计算机接受，也容易被读者理解。（3）使用期长，不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关，当工艺改变时，只需修改相应程序中的属性参数即可。（4）支持大规模设计的分解和已有设计的再利用。一个大规模的设计不可能由一个人独立完成，必须由多人共同承担，VHDL为设计的分解和设计的再利用提供了有力的支持。1
24、.6 VHDL语言设计数字系统的特点当电路系统采用VHDL语言设计其硬件时，与传统的电路设计方法相比较，具有如下的特点：（1）采用自上而下的设计方法。即从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计的内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在设计的过程中，对系统自上而下分成三个层次进行设计：第一层次是行为描述。所谓行为描述，实质上就是对整个系统的数学模型的描述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。在行为描述阶段，并不真正考虑其实际的操作和算法用何种方法来实现，而是考虑系统的结构及其工作的过程是否能到达系统设计的要求。第二层次是R
25、TL方式描述。这一层次称为寄存器传输描述（又称数据流描述）。如前所述，用行为方式描述的系统结构的程序，其抽象程度高，是很难直接映射到具体逻辑元件结构的。要想得到硬件的具体实现，必须将行为方式描述的VHDL语言程序改写为RTL方式描述的VHDL语言程序。也就是说，系统采用RTL方式描述，才能导出系统的逻辑表达式，才能进行逻辑综合。第三层次是逻辑综合。即利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件（门级网络表）。此时，如果需要，可将逻辑综合的结果以逻辑原理图的方式输出。此后可对综合的结果在门电路级上进行仿真，并检查其时序关系。应用逻辑综合工具产生的门级网络表，将其转换成P
26、LD的编程码点，即可利用PLD实现硬件电路的设计15。由自上而下的设计过程可知，从总体行为设计开始到最终的逻辑综合，每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统的设计周期。（2）系统可大量采用PLD芯片。由于目前众多制造PLD芯片的厂家，其工具软件均支持VHDL语言的编程。所以利用VHDL语言设计数字系统时，可以根据硬件电路的设计需要，自行利用PLD设计自用的ASIC芯片，而无须受通用元器件的限制。（3）采用系统早期仿真。从自上而下的设计过程中可以看到，在系统设计过程中要进行三级仿真，即行为层次仿真、RTL层次仿真和门级层次仿真。这三级仿真贯穿系统设计的全过
27、程，从而可以在系统设计的早期发现设计中存在的问题，大大缩短系统设计的周期，节约大量的人力和物力。（4）降低了硬件电路设计难度。在传统的设计方法中，往往要求设计者在设计电路之前写出该电路的逻辑表达式或真值表（或时序电路的状态表）。这一工作是相当困难和繁杂的，特别是当系统比较复杂时更是如此。而利用VHDL语言设计硬件电路时，就可以使设计者免除编写逻辑表达式或真值表之苦，从而大大降低了设计的难度，也缩短了设计的周期。（5）主要设计文件是用VHDL语言编写的源程序。与传统的电路原理图相比，使用VHDL源程序有许多好处：其一是资料量小，便于保存。其二是可继承性好。当设计其他硬件电路时，可使用文件中的某些
28、库、进程和过程等描述某些局部硬件电路的程序。其三是阅读方便。阅读程序比阅读电路原理图要更容易一些，阅读者很容易在程序中看出某一电路的工做原理和逻辑关系。而要从电路原理图中推知其工作原理则需要较多的硬件知识和经验。2 CCD的相关介绍2.1 CCD的简介与应用CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有
29、许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，而后者是微
30、安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大16。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。含格状排列像素的CCD应用于数码相机、
31、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像数CCD以拍摄极高解像之天体照片。CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线 。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比
