近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计
红外感应灯电路设计及原理
红外感应灯电路设计及原理1、电路主要光学元件（1）光敏电阻的应用光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性, 是一个电阻器件。
制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物，通常采用涂敷、喷涂等方法，在陶瓷基片上涂上半导体薄膜，经烧结而成。
光敏电阻的结构：在底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。
半导体的两端装有金属电极与引出线端相连接，通过引出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，光敏电阻结构，光敏电阻电极，光敏电阻接线图光敏电阻工作原理--内光电效应。
光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。
光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。
亮电阻很小，暗电阻很大。
要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足刚好发生内光电效应的临界波长。
常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1-10MΩ；在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4-0.76um）的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
本电路采用MG42型CdS光敏电阻，CdS光敏电阻属半导体光敏器件，产品经受强化老练实验，除具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，适合于将其用于各种环境，MG42型光敏电阻与其它型号相比具有：工作电压和额定功率比较低的特点，其亮、暗电阻也适合于本照明电路的需要，所以在设计时选择了这个型号。
（2）可控硅元件的工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示图1可控硅等效图解图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。
基于CCD 的近红外光谱仪探测系统设计与分析
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2021年第06期·43·文章编号：2095－6835（2021）06－0043－03基于CCD 的近红外光谱仪探测系统设计与分析徐乐，董云辉，赵佳麒，何巍（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192；北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京100192）摘要：传统的光栅光谱仪仪器箱普遍较大，这就使得其体积、质量、功耗和造价都相对较大。
通过对整体结构的调整，使其与传统光栅光谱仪相比质量轻、体积小、功耗低、造价低，同时保留了其采样速度快、操作简单、分析速度快、适合在线分析、测量方便、无损分析、无污染等特点。
为进一步探究光谱仪的光路结构并验证分光系统的可行性，用Zemax 软件进行光学仿真，进行光学系统优化设计，实现了900～1700nm 波段的微型近红外光谱仪的宽光谱设计。
通过实验将实物连接后，通过G8160-03CCD 作为探测器与上位机连接后，将各个器件的位置定位校正，最终通过PC 端可看到波形的变化。
关键词：光谱仪；线阵CCD ；反射型衍射光栅；Zemax 中图分类号：TN253文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2021.06.014光谱分析仪通过测定被研究的光的光谱组成，将光按波长或波数分解得到光能量的波长分布关系，并显示记录得到光谱图[1]。
光栅具有很强的色散本领，可作为光谱仪系统中的关键分光原件[2]。
CCD 作为一种光电转换器件，将信号采集后，将数据送入计算机系统完成所采集数据处理[3]，是光谱仪的核心器件之一[4]。
本文通过包括了光栅与CCD 的分光系统对光谱仪光路结构的可行性进行了验证。
1基本结构与工作原理本实验所用光谱仪由光源、准直系统、色散分光系统、成像系统、接收系统组成，并且通过合理的系统一体化集成设计，将光学元器件、采集卡以及相应接口有机地封装在机壳中。
基于ccd的便携式近红外光谱仪器总体设计
基于CCD的便携式近红外光谱仪器总体设计摘要现代近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，被誉为分析巨人。
由于近红外光谱技术具有分析速度快、成本低、无损无污染等优点，因而得到广泛应用。
近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子特征的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量分析的物理方法。
主要用于有机物质定性和定量分析的一种分析技术，特别是对于丰富的含氢基团（C-H、O-H、S-H、N-H等）有明显的光谱信息。
近红外光谱分析技术综合了光谱学、化学计量学、计算机应用和基础测试技术等多学科知识，从而实现了近红外光谱仪的光、机、电、算一体化设计。
电荷耦合器件简称CCD，它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD是一种光电转换器件。
它以电荷包的形式储存和传送信息，主要由光敏单元，输入结构和输出结构等部份组成。
CCD工作过程包括电荷的产生、存储、转移和读出四个环节。
本文主要从工作原理和系统设计（包括确定仪器的工作原理、标准量的选择、信号转换与传输原理/方式的选择）、仪器的主要结构方案、主要参数和技术指标、系统简图、总体布局和总体精度分配来讲述了基于CCD的近红外光谱仪器的总体设计。
关键词：近红外、CCD、总体设计1. 工作原理的选择近红外光谱仪器提供准确反映被测样品物质成分及含量的吸收光谱。
其基本组成结构包括：光源系统、分光系统、检测系统、控制及数据处理分析系统。
NIRS仪器，按应用场合，分为实验室仪器、现场仪器和在线仪器等；按测样方式分有透射、漫反射、光纤测量等三种仪器。
按分光方式分为：（1）滤光片型：第一台近红外光谱仪的分光系统（20世纪50年代后期）是滤光片分光系统。
此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。
“滤光片”被称为第一代分光技术。
（2）光栅型：20世纪70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在扫描速度慢、波长重现性差、内部移动部件多的不足。
基于CMOS传感器的微型光谱仪设计
基于CMOS传感器的微型光谱仪设计张振兴【摘要】为了快速、有效的检测气体中含有的NOX、SO2等污染性气体的浓度.设计了基于CMOS传感器和交叉Czerny-Turner(CT)型光路的嵌入式微型光谱仪,通过16位AD转换和C8051f410,实现NOX、SO2等气体浓度的自动检测.并介绍了CMOS传感器的性能指标以及系统的软硬件设计.%In order to quickly and effectively detect the concentration of pollutant gases such as NOX and SO2 in the gas, the micro-spectrometer based on CMOS sensor and cross-Czerny-Turner (CT) optical path is designed. The 16-bit AD converter and C8051f410 are used to realize the automatic detection of NOX and SO2. And the CMOS sensor performance indicators and system hardware and software design are introduced.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2017(036)020【总页数】3页(P115-117)【关键词】CMOS;嵌入式;检测;Czerny-Turner型光路;微型光谱仪【作者】张振兴【作者单位】中科天融(北京)科技有限公司研发部,北京100000【正文语种】中文【中图分类】O433目前越来越多的领域利用光谱技术检测各项指标，例如水中的重金属含量，气体中含有的NOX、SO2等污染气体的浓度，食物中是否存在有害物质等，这势必要求我们研发的光谱仪向高性能、微型化、低价格发展[1][2]。
基于FPGA_的InGaAs_图像传感器光谱采集驱动系统设计
第 22卷第 12期2023年 12月Vol.22 No.12Dec.2023软件导刊Software Guide基于FPGA的InGaAs图像传感器光谱采集驱动系统设计颜宗强，薛萌，朱亮庆，郭汉明（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）摘要：针对近红外拉曼光谱检测，设计了一种以InGaAs图像传感器为核心，基于FPGA主控的光谱采集驱动系统。
该系统相较于单通道输出传感器的不同之处在于，输出特点为奇偶交错双通道信号，首先利用FPGA完成系统内部时序的驱动控制；然后经过ADC模数转换芯片模拟系统输出信号并进行采集转换，Dpram模块对数据进行存储排序；最后利用串口实时传输光谱数据。
实验表明，系统采集效果良好，积分时间可调，硬件电路与软件集成度较高，在近红外拉曼光谱采集系统中具有较高的应用价值。
关键词：InGaAs图像传感器；奇偶交错信号；模数转换；FPGA；DpramDOI：10.11907/rjdk.222491开放科学（资源服务）标识码（OSID）：中图分类号：TP302.1 文献标识码：A文章编号：1672-7800（2023）012-0161-06Design of InGaAs Image Sensor Spectrum Acquisition Drive SystemBased on FPGAYAN Zongqiang， XUE Meng， ZHU Liangqing， GUO Hanming（School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）Abstract：A spectrum acquisition and driving system based on InGaAs image sensor and FPGA control was designed for near-infrared Raman spectroscopy detection. The difference between this system and a single channel output sensor is that the output feature is odd even interleaved dual channel signal output， which uses FPGA to complete the driving control of the internal timing of the system； Simulate the output signal of the system through ADC analog-to-digital conversion chip and perform collection and conversion， and store and sort the data through Dpram module； Real time transmission of spectral data through serial port. The experiment shows that the system has good collection performance， ad‐justable integration time， high integration of hardware circuit and software， and has high application value in near-infrared Raman spectrosco‐py collection systems.Key Words：InGaAs image sensor； odd-even staggered signals； analog to digital conversion； FPGA； Dpram0 引言拉曼光谱作为一种无损、非接触的快速检测技术，因其能快速分析分子结构，被广泛应用于各行各业。
一种长波红外光导探测器CMOS电路设计
工作 的低 阻抗 红 外光 导探 测 器 Ｃ ＭＯ Ｓ电路 ， 差 分放 大器 采 用正 负电源供 电 ， 在 输 入级 采 用 桥 式输 入 方式 ， 该 电路 第一级 采 用 ｌ ＭＱ 的 负反馈 电阻 实现 信 号放 大 ， 第二级 放 大采 用 正端放 大方式 ， 输 入级 、
第一级放 大、 第二 级放 大均 采 用直接耦 合 方式 。测试 结 果表 明 ， 该放 大器与 长波红 外低 输入 阻抗 光 导
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ７ ２ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ２ ２ ７ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ７ ６ ２ — ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ＣＭ ＯＳ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｆ ｏ ｒ ｌ ｏ ｎｇ ｗａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ
第４ ３卷 第 ３期
Ｖｏ １ ． ４ ３ ＮＯ ． ３
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ４年 ３ 月 Ｍａ ｒ． ２ ０ １ ４
一
种 长 波 红 外 光 导 探 测 器 ＣＭＯＳ 电 路 设 计
ｎ ｅ ｇ ａ ｉ ｔ ｖ ｅ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｉ ｓ ｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｙ．Ｔｈ ｕ ｓ ，ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｔ ｗｏ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ＣＭ Ｏ Ｓ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｉｒ ｆ ｓ ｔ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ｗａ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗａ ｓ ｆ ｉｔ ｆ ｏ ｒ ｌ ｏ ｗ ｉ ｍｐ ｅ ｄａ ｎｃ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ．Ｔｈ ｅ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ａ ｇ ｎ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｇ
近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计
过 程 。驱 动 时序 基 于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ器件设 计 ，采 用 Ｖ Ｄ Ｈ Ｌ语 言编 写程 序 简化 了硬件 逻 辑 设计 过 程 ，电路
简洁 ，控制可靠。 关键词 ：Ｃ Ｏ 图像传感器 ；驱动 电路 ；Ｃ Ｌ ；Ｖ Ｄ ＭＳ ＰＤ Ｈ Ｌ
Ｄｒｖ ｉｃ ｉ ’ ｅ ｉ ｎ ｆ ｒ ＣＭ ０ Ｓ ｉ ａ ｅ ｓ ｎ ｏ ｆ ｉ ｅ ｃｒ ｕ ｔ Ｓｄ ｓｇ ０ ｍ ｇ ｅ ｓ ｒ ｏ
的基 于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ的驱动 电路 。
１ Ｃ ０ Ｍ Ｓ图像 传 感器 Ｇ ２３２６ ９０—５ Ｄ
蚴 一５Ｄ是一 种高 精 度 高稳 定性 铟镓砷 线 阵 ２６
传感器作为光谱仪的核心器件 图像传感器 ， 的驱 它 动电路的设计好坏直接影响光谱仪 的性能 ， 以对 所 图像传感器驱动 电路 的设计就变得十分重要。本文 提及 的近红 外光谱仪所 用到的 图像传感 器是一 种 Ｃ Ｓ图像 传 感器 。 ＭＯ 近几年来各种 图像传感器及其 系统 大量涌现 ， 发 展速 度惊 人 ， 能水 平 日益 提 高 ， 用 领域不 断 扩 性 应 大， 随着超大规模集成技术的发展 ，Ｍ Ｓ图像传感 ＣＯ 器 发展强 劲 ， 在 的一 些 参数 性 能 指 标 已达 到 或 超 现 过 Ｃ Ｄ 与传统 的 Ｃ Ｄ图像传感器比较而言 ， Ｏ Ｓ Ｃ， Ｃ ＣＭ 传感器虽 图像的 噪声偏 大，但有 功耗 低 、 成本 低， 体积小 ， 集成度 高的优点。本文 中所采用 的 Ｃ Ｏ ＭＳ 图像传感 器 ， 由某 公 司研 制生 产 的一 种型 号为 是 Ｇ ２３２６ ９０— Ｄ铟 镓 砷 （ Ｇ Ａ ） ５ Ｉ ａ ｓ近红 外 光 谱 图像 探 测 器 ｎ （ 以下简称 Ｎ Ｒ 。本文 主 要探讨 的是 ， 对此 类 典型 ｔ） 针 的 Ｃ Ｏ 图像传感器 ， ＭＳ 设计一种保证传感器正常工作
基于CPLD的CMOS图像传感器的驱动电路设计
ＩＩ５ Ａ １０ ＢＳ一 一 ３０是 １１万像 素 ，／ ３ ２ ３英 寸 （ １英 寸
＝
ｑ Ｓ ｏＰ — Ｓ Ｓｒ — ４ — Ｘ ｏ ＡＤ — — — Ｌ
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ＰＬ ＸＥＬ ＶＡＬ Ｉ Ｄ Ａ Ｄ．
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２５ ｍ） Ｃ Ｓ图像 传 感 器 芯 片 。该 芯 片 ．４ｃ 的 ＭＯ
Ｃ Ｓ图像敏感 器 ， 出使 用 Ｖ Ｌ语 言设 计 的逻 ＭＯ 给 ＨＤ 辑驱 动 电路 和仿真 结果 。
７ 数据传输率 ２ ． ａ ｅｓ ） ７ ５ｆｍ ／ ｒ ８ 片上 Ａ Ｃ １ ） Ｄ ０位
９ 封装方 式 ） ８ ４针 Ｌ Ｃ Ｃ
大部分 控制信 号 由 内部 时序 器产 生 ， 些 基 本 一 控 制信 号需要 由外 部 控 制 电路 产 生 ， 关 控制 信 号 相
整个 工作流程 分为 初始 化 、 置 片 内寄存 器 、 配 像 素单元的积分和读 出 初 始 化后 ， 存器 值 清 ｏ 要 寄 ，
… … … 。 …
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…
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维普资讯
１ ０期
邢 汝佳 ，等 ：基 于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ的 Ｃ Ｓ图像传感器 的驱 动电路设 计 ＭＯ
的 积分 时间 。
２ ｄｒ ｇ ｓｅ ｐ ｏ ｄ ｎ ｅ ｉ ｔｒｕ ｌ ａ １ｔ ｅ ｉｔｒｕ ｌ ａ ｓ ｇ ｓｅ ｐｏ ｄ ｒ
２５ ３５
使ＣＯ Ｍ Ｓ按照一定 的方式工作 ， 必须按要 求 配置 寄存 器 的值 ， 并 行 和 串行 两 种模 式 。１ 有 ２个 寄存 器 都 是 １ 的 ， ４位 是地 址 ， １ ６位 前 后 ２位是 数 据 。并 行模 式
值， 由此 可见 ， 用多 斜率 积分 可 以根 据需 要选 择不 同
微型近红外光谱仪系统的设计模板
微型近红外光谱仪系统的设计1 微型近红外光谱仪系统相关理论1.1 近红外光谱仪系统的工作原理近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的。
近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法，它记录的是分子中单个化学键基频振动的倍频和合频信息，它的光谱是在700--2500 nm 范围内分子的吸收辐射。
这与常规的中红外光谱定义一样，吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动，中红外吸收光谱中包括有C-H 键、C-C 键以及分子官能团的吸收带。
然而在NIR 测量中显示的是综合波带与谐波带，它是R-H 分子团(R 是O、C、N 和S)产生的吸收频率谐波，并常常受含氢基团X-H(C-H、N-H、O-H)的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H 振动的倍频和合频吸收。
图1.1是近红外技术的分析过程图，左侧箭头是建模过程，右侧箭头是检测过程。
图1.1近红外技术分析过程图1.2 近红外光谱仪光学系统基本理论在近红外光谱分析系统中，用于测量近红外光谱的近红外光谱仪是系统的基础，而分光光学系统是光谱仪的核心。
1.2.1 色散原理色散系统是光谱分析仪器中的重要组成部分，色散系统的选择与设计直接关系到光谱仪器的性能。
按其工作原理可分为空间色散型和干涉调制型。
空间色散型包括物质色散、多缝衍射和多光束干涉；而调制型主要为傅里叶变换分光、哈达玛变换分光和光栅调制分光等，这里主要介绍衍射色散分光。
在物理光学中，可以把光波看成在空间分布的标量电磁场，由于光波的波动性质，当光波通过具有一定宽度狭缝时，会发生衍射现象。
如果光波同时通过两个相邻的狭缝时，由两狭缝发出的光波将在产生干涉的同时还会受到单缝衍射的调制。
由此类推，对于多缝衍射，可以认为多缝衍射光强是多光束干涉光强被单缝衍射光强调制的结果，这就是衍射光栅的工作原理。
衍射光栅就是利用多缝的干涉衍射效应，对于任何装置，只要它能起到等间隔地分割波阵面的作用，都可以称为衍射光栅。
CMOS图像传感器的研究与设计
CMOS图像传感器的研究与设计一、前言相信大家都有过拍照的经历，而在数码相机和智能手机中，CMOS图像传感器已经成为了摄像头的标配。
CMOS图像传感器的应用不仅仅局限于相机和手机，还广泛应用于医疗、安防、机器人、自动驾驶等领域。
随着科技的不断发展，CMOS图像传感器的技术也在不断革新，本篇文章将对CMOS图像传感器的研究与设计进行探究。
二、基础知识CMOS图像传感器是一种能够将光信号转化为数字信号的电子器件，它是由一系列的像素组成，每个像素都包含着一个感光电容和一对转换电路。
当感光电容受到光的照射后，会产生一个电荷，接着转换电路会将电荷转化为数字信号。
CMOS图像传感器有着功耗低、响应速度快、集成度高等优点，因此它已经成为了数码相机和智能手机中主要的图像传感器。
三、CMOS图像传感器的研究1. 单个像素的探究CMOS图像传感器中最基本的单元就是像素，因此研究单个像素的性能是非常重要的。
研究者们通过改进感光电容的材料和结构，提高转换电路的精度和速度，从而不断优化单个像素的性能。
例如，设计更好的场效应晶体管（MOSFET）技术，使像素在高光动态范围下有更好的表现；使用带宽更高的数模转换器，提高像素的信噪比和灵敏度等等。
2. 提高像素的动态范围由于摄像机在采集图像时，常常出现景物之间的亮度差异很大的情况，所以提高像素的动态范围是CMOS图像传感器研究的一个重要方向。
通过设计更好的像素结构和转换电路，可以使像素具有更高的峰值响应和更低的噪声，从而提高了像素的动态范围。
例如，在感光电容上添加特殊的反射层材料，可以增加感光电容的光吸收能力；采用更先进的本底优化技术，可以减少像素的暗电流，进而提高像素的信噪比。
3. 高速传输随着科技的不断进步，人们对图像传输的工作效率要求也越来越高。
因此，高速传输技术已经成为了CMOS图像传感器研究的热点之一。
研究者们通过改进传输线路的结构和材料，研究更高效的数字信号处理技术，提高图像数据的传输速度。
近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计
近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计
近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计
黄玉斌;温志渝
【期刊名称】《信息技术》
【年(卷),期】2008(000)005
【摘要】简单介绍了一种典型的CMOS图像传感器G9203-256D,主要用于近红外光谱仪的设计.介绍了此传感器的的驱动电路的设计过程,具体介绍了驱动电路中驱动电压和驱动时序的设计过程.驱动时序基于CPLD器件设计,采用VHDL 语言编写程序简化了硬件逻辑设计过程,电路简洁,控制可靠.
【总页数】4页(13-15,33)
【关键词】CMOS图像传感器;驱动电路;CPLD;VHDL
【作者】黄玉斌;温志渝
【作者单位】重庆大学微系统研究中心,重庆,400044;重庆大学微系统研究中心,重庆,400044
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.基于VHDL的线阵图像传感器的驱动电路设计 [J], 石城; 李振华; 夏泽飞; 杨应平
2.基于CPLD的CIS图像传感器驱动电路设计 [J], 贺科学
3.CPLD在CMOS图像传感器驱动电路中的应用 [J], 曹昕燕
4.微光 CCD 图像传感器驱动电路设计 [J], 李仰军; 马俊婷; 郝晓剑
5.高速图像传感器CCD60驱动电路设计 [J], 杨少华; 郭明安; 李斌康。
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中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2008)05-0013-03近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计黄玉斌,温志渝(重庆大学微系统研究中心,重庆400044)摘 要:简单介绍了一种典型的C MOS图像传感器G9*******D,主要用于近红外光谱仪的设计。
介绍了此传感器的的驱动电路的设计过程,具体介绍了驱动电路中驱动电压和驱动时序的设计过程。
驱动时序基于CP LD器件设计,采用VH D L语言编写程序简化了硬件逻辑设计过程,电路简洁,控制可靠。
关键词:C MOS图像传感器;驱动电路;CP LD;VH D LDrive circuit’s design for CMOS im age sensor ofnear infrared spectrographHUANG Y u2bin,WE N Zhi2yu(Micro2system R esearch Center of Chongqing U niversity,Chongqing400044,China) Abstract:This article introduces a typical C MOS image sens or G9*******D,it main used for the design of near in frared spectrograph.It presents a method of the drive circuit’s design for this sens or,especially the design of drive v oltage and drive time sequence.The design of the drive time sequence is based on CP LD,and uses VH D L language to program,sim plifying the process of the hardware’s logic design,s o the circuit is to be sim ple and to be relying on control.K ey w ords:C MOS image sens or;drive circuit;CP LD;VH D L0 引言对一款性能优良的近红外光谱仪来说,拥有一个良好的信号采集电路系统是十分必要的。
而图像传感器作为光谱仪的核心器件图像传感器,它的驱动电路的设计好坏直接影响光谱仪的性能,所以对图像传感器驱动电路的设计就变得十分重要。
本文提及的近红外光谱仪所用到的图像传感器是一种C MOS图像传感器。
近几年来各种图像传感器及其系统大量涌现,发展速度惊人,性能水平日益提高,应用领域不断扩大,随着超大规模集成技术的发展,C MOS图像传感器发展强劲,现在的一些参数性能指标已达到或超过CC D,与传统的CC D图像传感器比较而言,C OMS 传感器虽图像的噪声偏大,但有功耗低、成本低,体积小,集成度高的优点。
本文中所采用的C M OS 图像传感器,是由某公司研制生产的一种型号为G9*******D铟镓砷(InG aAs)近红外光谱图像探测器(以下简称NIR)。
本文主要探讨的是,针对此类典型的C M OS图像传感器,设计一种保证传感器正常工作的基于CP LD的驱动电路。
1 CMOS图像传感器G9*******D G9*******D是一种高精度高稳定性铟镓砷线阵图像探测器,适合应用于近红外光谱区域,其可探测光谱范围为900nm到1700nm。
其有效像素数为256,像素间距50μm,像素尺寸50μm(H)×500μm(V)。
G9*******D内部的电荷放大器阵列由C MOS晶体管组成,移位寄存器、时序发生器以及相关二次采样器(C DS)与铟镓砷光电二极管阵列集成在一起,其内部信号处理电路部分的反馈电容C f,可以通过传感器外部电路进行选择(C f=10pf或者C f=0.5pf), G9*******D的实物和内部结构如图1所示。
收稿日期:2007-10-15基金项目:科技部国际合作项目(2006DF13510);重庆市科技攻关计划项目(CSTC,2006AB2006)作者简介:黄玉斌(1981-),男,2004年毕业于重庆大学通信学院,现为重庆大学光电学院仪器科学技术专业硕士研究生,主要研究方向为信息获取与处理。
图1 G 92032256D 实物图以及其结构图 由结构图可以看到传感器驱动电路设计的关键是提供满足传感器正常工作的几个电源电压,以及时序脉冲。
2 驱动电路中电源部分的设计驱动电路中电源部分设计的主要工作是给G 92032256D 的几个包括Vdd ,Vss ,Vref ,I NP 等在内的功能引脚提供相引的电源电压,其中每个引脚对电源电压的要求除了电压值大小上不同,对电压的稳定性和精确性上的要求也有所不同。
Vdd 是传感器的工作电压输入端,标准值为5V ,Vdd 对稳定要求并不高,所以本文直接采用US B 电源作为传感器工作电压,经过实际测试,US B 电源电压是在5V 上下跳动,但是有时会超过G 92032256D 说明书上指定的最大值5.1V ,为了保证传感器不被烧坏,在传感器工作电压引脚处并联上一个5.1V 的稳压二极管,这样引脚Vdd 上的电压始终不会超过5.1V 。
Vss 接地。
Vref 是传感器的参考电压输入端,他的功能是对噪声偏移补偿电路进行复位,标准值为1.25V 。
传感器对其电源电压的要求是必须十分稳定,不能有剧烈的跳动,所以一般的电源不管是由交流电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。
各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。
经过考虑与选择,最后决定采用低压差线性稳压器(LDO ),采用的芯片是美国MAXI M 公司的MAX1749。
MAX1749作为一种LDO 芯片,他可以提供两种工作模式供用户选择,一种是固定输出电压模式,一种是可调输出电压模式。
MAX1749在固定电压输出模式中,只要输入电压在2.5V 到6.5V 范围,输出端电压固定输出为1.25V ,输出电流最大不超过120mA ,而且输出电压非常稳定,而1.25V 的稳定电压输出正好满足Vref 引脚的要求,而且最大输出电流不超过120mA 也完全能保障传感器不被损坏。
MAX1749的输入电压,为了简洁方便,直接采用US B 电源(5V 左右,在2.5V ～6.5V 的范围内)。
I NP 是传感器的偏置电压输入端,他的功能是对传感器的电荷放大器阵列进行工作复位,保证传感器的持续工作,标准值为4.5V 。
I NP 输入端对电压稳定度有一定要求,于是采用上面所提到的MAX1749的第二种工作模式:可调输出电压模式。
在这种工作模式下,MAX1749的输出电压在1.25V 到6.5V 的范围内可调,可以通过电位器将输出电压调置在4.5V ,输出电压相对稳定,可调模式下输出电压的稳定性,完全能达到I NP 引脚要求。
3 驱动电路中时序脉冲部分的设计由于G 92032256D 工作所涉及的时序不只一个,几个时序要求同步,所以最理想的方法就是用一个晶振源通过CP LD 产生所需的时序脉冲。
传感器中涉及时序的引脚主要有两个,C LK 和RESET 。
C LK 是传感器工作时钟,RESET 是复位脉冲,RESET 脉冲的宽度决定积分时间。
图2是传感器的工作时序图。
在本驱动电路设计中,为了保证传感器工作的高效性,选择工作时钟频率C LK 为4MH z ,直接购买到频率为8MH z 的有源晶振,进行分频处理就可以具有较好的4MH z 时序周期脉冲,所以不需要对C LK 进行专门的设计,CP LD 将主要用于对RESET 复位脉冲时钟信号的设计。
RESET 脉冲宽度决定积分时间。
产品说明书对G 92032256D 积分时间要求为不小于6000ns ,这样对RESET 信号高电平部分的设计,存在很大的余地,所以本文主要考虑其低电平部分的设计,传感器完成一次256个像素元视频信号读出的时间就是RESET 脉冲周期信号的低电平宽度的最小值。
G 92032256D 一个像元信号(VI DE O )读出频率为1/8C LK,所以传感器一个像素信号的读出时间为2μs 。
G 92032256D 有256个像元,可以计算出传感器完成一次视频信号读取的时间为:2(μs )x256=512μs 。
但是这只是理想状态下的理论值,不能以此作为传感器完成一次视频信号读取的实际时间长度,还应该考虑到传感器电荷积分完成后,RESET 信号下降沿触发开始进行视频信号读取,到传感器实际开始进行读取之间的准备时间,以及视频信号读取完成后,到传感器进行下一次电荷积分开始之间的准备时间。
所以,实际传感器完成一次视频信号读取的时间应该为:图2 G 92032256D 工作时序图 Tscan =(T clk ×3)+(T r ×N )+(T clk ×10)=0.25(μs )×3+2(μs )×256+0.25×10=515.25μs 其中:T clk 为一个时钟周期,T r 为一个像素的读出时间,N 为像元。
(T clk ×3)是视频信号开始读取前的准备时间,为3个时钟周期;(T r ×N )是传感器完成一次N 个像元的视频信号读取的时间;(T clk ×10)是视频信号读取工作完成后,到传感器准备进行下一次电荷积分的时间,为10个时钟周期。
根据上面的计算结果,开始进行VH D L 语言编程。
对RESET 信号的设计,首先画出状态机。
图3,图4分别是RESET 信号的状态机以及M ax +plus Ⅱ仿真波形。
图3 RESET时序状态机图4 M ax +plus Ⅱ仿真波形 图4中ST ART1和ST ART2信号,是CP LD 内部手动编写的控制信号(程序见附录1),用来控制积分时间和视频信号读出时间,外部无此两路输入信号。
信号ST ART2上升沿与信号ST ART1下降沿之间的时间长度为RESET 信号的高电平,即传感器积分时间,由图4可见约为20μs >6000ns ,符合要求。
从信号ST ART1下降沿到遇到下一次的信号ST ART2的上升沿之间的时间为RESET 信号的低电平部分,即传感器视频信号读出时间约为823μs 大于前面计算要求的RESET 的低电平持续时间的最小值515.25μs 。
可以看出,程序设计满足要求。