AD9822及其在面阵CCD系统中的应用

2 AD9822的结构及其工作原理
2．1 AD9822简介
AD9822是美国ADI公司的一款面向CCD的完善的低功耗单通道模拟信号处理器，内含最高15 MSPS的相关双采样(CDS)电路、可编程增益放大器(PGA)、14位精度的最高采样率为15 MSPS的A／D转换器，可以对面阵CCD信号和模拟视频信号进行A／D转换。AD9822以其高精度、高速度的模数转换能力，广泛应用在工业控制、医疗仪器、科学研究等领域的高精度图像采集系统中。
图2为AD9822的内部结构，它提供三通道的信号输入，每个通道由输入箝位、相关双采样、DAC补偿以及可编程增益放大器PGA和高精度A／D转换器构成。CCD输出信号先后在相关双采样处理单元、增益控制处理单元以及A／D转换处理单元作用下，转换成数字信号输出。


2．2 AD9822的工作原理
本设计采用的是单路CDS模式，CCD视频信号在进入AD9822之前，首先要进行交流耦合。由于CCD的输出信号包含了一个较大的直流成分，这个直流量会超出后接信号处理芯片允许的输入信号电压范围，因此，需要从信号中去除这个大的直流分量。在实际电路中，将CCD的输出信号经过一个 O．1μF的耦合电容连接到AD9822的CCD信号输入引脚。在本设计中，由于CCD输出信号的幅值为1．9 V，而AD9822允许的输入信号幅值为2 V，所以，经过交流耦合后，CCD输出信号可直接进入AD9822。之后，视频信号首先经过的是输入箝位电路，箝位电路用来消除信号链中的残留偏压，并且跟踪CCD暗像素的频率成份，错误的信号将被过滤掉，所以噪声降低，去掉偏压还可减小对增益改变的影响。
经过箝位后的信号进入相关双采样电路。电路对每个CCD像素信号进行两次采样，以提取视频信息和抑制低频噪声。由于CCD每个像素的输出信号中既包含有光敏信号，也包含有复位脉冲电压信号，若在光电信号的积分开始时和积分结束时，分别对输出信号采样，并且使得两次采样的间隔时间远小于时间常数 RonC(Ron为复位管的导通电阻)，则这样2次采样的噪声电压相差无几，而这两次采样的时间又是相关的。若将两次采样值相减，就基本消除了复位噪声的干扰，得到信号电平的实际有效幅值。如图1所示，CDSCLK1和CDSCLK2分别用来对参考电平和数据电平进行采样，ADCCLK为ADC的采样时钟。它们和CCD视频信号的位置关系决定了信号质量的好坏。CDSCLK1，CDSCLK2和ADCCLK均由FPGA实现。
经过相关双采样后，信号被送入增益放大器PGA。这里先经过一个DAC补偿的反馈网络，以便更稳定地调节图像信号。DAC offset可以提供-350～+350 mV的信号补偿，步进阶数为512，即9 b的分辨率。具体数值通过补偿寄存器进行配置。增益放大器PGA的增益范围为1～5．7 dB，步进阶数为64阶，分辨率为6 b，通过PGA增益寄存器进行配置。PGA的增益值和PGA Gain寄存器中的值之间的关系如下：

式中：G为增益寄存器中的十进制的值，变化范围为0～63。
合理地设置增益放大器，可将信号调节至ADC允许的最大量程，有利于提高ADC的动态范围，从而提高图像质量。
经过以上信号预处理后，信号进入A／D转换器，AD9822使用的是高性能14 b模数转换器，高速低耗。差分非线性性能在O．7LsB左右。由CCD视频信号的数据输出速率可知，AD采样率为10 MHz。因为AD9822只有8个数据输出引脚，因此采用分时输出高8位和低6位的方法来实现14位数据的输出。采样时钟ADCCLK和输出数据关系如图2所示。输出数据送入低压差分线驱动器DS90C031后转换为差分信号，而后送到下一级处理器进行处理。
2．3 AD9822内部寄存器的配置
由上面的介绍可知，AD9822的各种功能模式由其内部寄存器控制，通过三线串行接口SLOAD，SDATA，SCK对内部寄存器写数据就可实现对其功能模式的配置。AD9822共有8个8 b的内部寄存器，各寄存器的每一位控制不同的内容。其中，配置寄存器控制芯片的工作模式和偏置电压。MUX寄存器控制采样通道的顺序。PGA寄存器和补偿寄存器各有3个，分别对红、绿、蓝3个通道做增益控制和信号补偿。设计中，由FP-GA提供三线串行接口的时序及数据。

3．AD9822初始化及工作时序的实现
3．1 现场可编程门阵列(FPGA)
随着电子技术的不断发展，电子系统的设计方法也发生了很大的变化，基于EDA技术的芯片设计已经代替了传统的设计方法成为电子系统设计的主流。现场可编程门阵列(FPGA)是应用极为广泛的一类可编程专用集成电路(ASIC)，工程师可以利用它在实验室里设计出所需的专用集成电路，从而缩短产品的开发周期，降低开发成本。此外，FPGA还具有可重复编程和在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。本文选用Xilinx公司的FPGA芯片XC3S50器件，结合ISE10．1开发工具，可以实现电路设计、仿真、器件编程等全部功能，开发调试灵活。
3．2 AD9822初始化设置和工作时序的实现
要使AD9822正常工作，需要为其提供初始化设置和驱动时序，初始化设置用于设定该芯片的工作状态，驱动时序为A／D转换提供正确的采样时钟。选用硬件编程语言VHDL设计AD9822的初始化设置和驱动时序。VHDL采用自顶向下的设计方式，具有很强的系统硬件描述能力和系统仿真能力。