KAI-02150的CCD模拟前端采集电路设计

摘要 针对Kodak公司生产的CCD图像传感器KAI-02150，设计了双通道模拟前端采集电路。给出了电路的结构组成，根据KAI-02150的驱动和输出参数要求设计了各个模块的具体电路。通过SPI接口对AD9920A的寄存器进行配置，可以满足多种工作模式切换的需要。与传统的CCD模拟前端采集方案相比，文中的设计更加灵活简单、稳定可靠。测试表明，设计的输出驱动时钟满足KAI-02150的输入要求，可以驱动CCD输出模拟信号，并完成相关双采样和A／D转换得到数字视频信号。
关键词 KAI-02150；CCD；模拟前端采集；AD9920A

KAI-02150图像传感器是Kodak公司设计生产的全高清行间转移CCD(Charge-coupled Device)，有效图像分辨率为1 920×1 080，支持四通道输出，图像最高输出帧率可达64fip·s-1，主要用于工业图像、医疗图像、安防监控等领域。
CCD的模拟前端采集电路设计主要用于对CCD提供水平和垂直驱动时钟信号，放大调理CCD输出的模拟信号，对CCD输出模拟信号进行模数转换，提供必要的帧和行的同步信号来进行数字视频信号的输出。所以CCD模拟前端采集电路的设计对于整个数字摄像机的最后成像质量起着重要的作用。一般如SONY公司针对所生产的CCD都提供了相应的前端采集电路的参考设计方案，但Kodak公司没有在技术文档中提供相关信息。文中针对KAI-02150的参数特点设计了双通道模拟前端采集电路，性能稳定可靠，模式设置方便灵活，减轻了软件设计的负担。

1 KAI-02150图像传感器芯片简介
Kodak公司生产的KAI-02150是一款1080p的2／3”大小的逐行扫描行间转移CCD传感器，其主要特征有：噪声低、动态范围宽、成像性能出色、信号读出结构灵活，支持1、2或者4通道信号同时采集，全分辨率图像最高采集速度可达64 fip·s-1。KAI-02150在水平时钟频率达到40 MHz时，其双通道输出帧率可以达到33 fip·s-1，完全满足普通安防监控的需要。

2 双通道模拟前端采集电路的设计
2．1 模拟前端采集电路总体设计思路
KAI-02150在进行光电转换的同时需要外部对其提供水平和垂直时钟等驱动信号，使得每个像素的模拟电压值进行串行输出。CCD信号采集处理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直时钟时序信号的同时对CCD模拟输出信号进行模数转换，并输出相应的视频同步信号。由于KAI-02150的驱动信号电平要求与AD9920A时序信号输出电平不相符，需设计时钟驱动电路对水平、垂直驱动与电子快门等信号进行电平的转换，同时起到隔离、缓冲、提高带负载能力等功能。在整个采集过程中，需要对AD9920A进行初始化和对采集到的双通道视频信号进行帧图像的合成和预处理，文中使用FPGA精确控制AD9920A的初始化和视频采集传输过程。

文中采用的模拟前端采集电路主要由CCD传感器、时序控制采集电路、时钟驱动电路组成，组成结构如图1所示。FPGA对模拟前端采集电路进行初始化并对采集到的视频进行预处理。