摘要：介紹TDI-CCD的特點、工作原理，根據(jù)項目所使用的TDI-CCD的使用要求，設計一種基于Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)EP3C-25Q240的TDI-CCD驅動時序電路，驅動時序使用VHDL語言編寫，在QuartusⅡ平臺上進行時序仿真，通過在硬件電路中的測試結果表明，驅動時序滿足該款產品的要求。該實驗的主要目的是驗證這款TDI-CCD的性能，為其應用和進一步的性能改善獲得必要的數(shù)據(jù)，以促進國產CCD的發(fā)展及應用。
關鍵詞：TDI-CCD；驅動時序；現(xiàn)場可編程門陣列

    TDI-CCD(Time Delay and Integration)在最近幾年已經發(fā)展成為航天、航空相機的理想圖像傳感器。主要應用在低照度條件下，對低照度目標有很高的靈敏度。它主要有以下特點：首先它采用了TDI工作模式，隨著TDI積分級數(shù)M的增加有用信號線性相加，而噪聲信號是非相干平方根增加，這樣TDI-CCD的信噪比(SNR)可以提高倍；其次，由于它的積分級數(shù)是可以調節(jié)的，通過改變積分級數(shù)，就可以改變可見光CCD的曝光時間。因此，TDI-CCD可以在不同的照度下在不改變幀頻的情況下正常工作，例如，在黎明、黃昏或夜間成像，要求曝光時間長，對應的增加TDI級數(shù)，在白天或者能見度較好的場合，對應的減少TDI的級數(shù)，能在分辨率不變的情況下提高可見光CCD的靈敏度和均勻性；再次是采用TDI-CCD作為焦平面探測器可以減少相機相對孔徑，從而減少系統(tǒng)重量和體積。

l TDI-CCD工作原理
    在第一次曝光時間t1時，物體的第一行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q1；在第二次曝光時間t2時，物體向前運動一行，這時物體的第二行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q2，與此同時上次累積的電荷Q1轉移到第四級，再加上第四級曝光物體的第一行產生的曝光電荷Q1總共累積電荷2Q1；在第三次曝光時間t3時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第三行處在TDI的第五級，曝光電荷為Q3與此同時上次累積的電荷Q2轉移到第四級，再加上第四級曝光物體的第二行產生的曝光電荷Q2總共累積電荷2Q2，TDI的第三級曝光物體的第一行再加上從第四級轉移過來的2Q1，第三級總共累積電荷3Q1；在第四次曝光時間t4時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第四行處在TDI的第五級，產生曝光電荷Q4并且轉移上次的累積電荷Q3到TDI的第四級，第四級曝光物體第三行產生曝光電荷Q3，再加上從第五級轉移來的Q3，第四級累積電荷2Q3，第三級曝光物體第二行加上從第四級轉移來的電荷總共產生累積電荷3Q2，第二級曝光物體第一行再加上從第三級轉移來的電荷總共產生累積電荷為4Q1；在第五次曝光時間t5時，物體繼續(xù)向前運動一行，這時物體的第五行處在TDI的第五級，產生曝光電荷Q5并且轉移上次的累積電荷Q4到TDI的第四級，第四級曝光物體第四行產生曝光電荷Q4，再加上從第五級轉移來的Q4，第四級累積電荷2Q4，第三級曝光物體第三行加上從第四級轉移來的電荷2Q3總共產生累積電荷3Q3，第二級曝光物體第二行再加上從第三級轉移來的電荷為3Q2總共產生累積電荷為4Q2；第一級曝光物體第一行再加上從第二級轉移來的電荷4Q1總共產生累積電荷為5Q1。這是一款最大積分級數(shù)為五級的TDI，以此類推更多級數(shù)TDI的工作原理(見圖1)。

2 TDI-CCD驅動時序
    試驗采用的是4 096×96 TDI可見光CCD。它的結構像一個長方形的面陣CCD，而實際上是線陣結構，其行數(shù)由4 096個像數(shù)(探測器)組成，列數(shù)由96個像素組成。積分級數(shù)為16．32，48，64，96可調，96級積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64和PTDI1；
    64級積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48和PTDI1，PTDI64接-12 V電壓；第48級積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32同PTDIl，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓；第32級積分工作狀態(tài)為PTDI16和PTDI1，PTDI32，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓；第16級積分工作狀態(tài)為PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64接-12 V電壓。
    試驗通過在硬件電路中使用八位開關加偏置電壓實現(xiàn)積分級數(shù)的可調。這款CCD為八路輸出結構，總頻率為100 MHz，每組分別為12．5 MHz。其中第一路至第七路的有用信號為514個，其中有兩個用于采集暗電平，第八路為518個其中有兩個用于采集暗電平，時序設計中采用每路輸出525個電平，多余的都為空信號用于采集噪聲信號。
    試驗使用的這款TDI-CCD總共需要15路驅動信號，積分級數(shù)控制信號PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64在硬件電路中通過撥碼開關加偏置電壓實現(xiàn)，其他的11路行轉移信號和水平移位讀出信號在軟件中實現(xiàn)(圖2所示)。其中，PIG在級數(shù)選通時起撇出多余級數(shù)信號的作用；時鐘PTDI1，PTDI2，PTDI3通過電平變換來控制信號電荷的行轉移，頻率為20 kHz；積分區(qū)信號經PTDI3轉到PSG，再由PSG轉到PTG，PTG轉到水平移位寄存器控制信號PMl，PM2，PM3，PM4，最后由多路傳輸器輸出。TDI-CCD電極邏輯關系如圖2所示。

3 驅動時序的仿真實現(xiàn)
    試驗采用Altera公司的EP3C25Q240，使用這款FPGA中的PLL電路對20 MHz時鐘倍頻產生50 MHz時鐘作為系統(tǒng)的主總時鐘CLK。采用Altera
公司開發(fā)的QuartusⅡ作為開發(fā)平臺，采用VHDL語言進行時序設計。系統(tǒng)有兩路輸入信號分別為總時鐘CLK，復位信號Reset。15路輸出信號作為TDI-CCD的輸入時序信號(PTDI16，PTDI32，PTDI48，PTDI64和PTDI1)，但是該時序不能直接驅動TDI-CCD，因為它的電壓及功率值無法滿足TDI-CCD的需要，所以在FP-GA與CCD之間增加脈沖驅動電路，試驗采用CCD驅動器EL7155。
    在QuartusⅡ中的仿真結果如圖3～圖5所示。由圖3可看出TDI-CCD的工作過程可以分為兩個階段：行轉移階段和光積分階段。在行轉移階段(如圖4所示)通過時鐘PTDI1～PTDI3的三相交疊脈沖的作用實現(xiàn)將積分電荷轉移到水平移位寄存器中，PTDI1～PTDI3在每個時刻必須保證至少有一個高電平和一個低電平，而此時PM1～PM4保持不變，水平移位寄存器停止工作。

    在光積分階段(如圖5所示)，四相時鐘PM1～PM4共同作用將水平移位寄存器中的電荷讀出，每個階段分別循環(huán)525次，此時三相時鐘保持不變，同樣的PM1～PM4在每個時刻也必須保證至少有一個高電平和一個低電平。四相時鐘與三相時鐘相比，比較適合較高的工作頻率。

4 結語
    該時序在硬件電路中成功驅動了這款TDI-CCD，驗證了軟硬件的正確性和準確性以及CCD的性能。同時該時序還有一定的靈活性，通過改變輸入時鐘的頻率，它的輸出頻率是可以調整的，并且可以滿足很高的頻率要求。時序的穩(wěn)定性比較好，在硬件電路中可以隨時按復位按鈕調整輸出。在FPGA的基礎上設計時序，使硬件電路設計簡單化。