通訊工程師是指能在通信領域中從事研究、設計、制造、運營及在國民經濟各部門和國防工業中從事開發、應用通信技術與設備的高級工程技術人才。本文是選自省級電子信息期刊《信息安全與通信保密》中的職稱論文范文：淺析CCD視頻信號處理電路的設計。

　　摘要：CCD圖像傳感器將光敏像元上的光信號轉換成電信號并存儲在MOS電容中，在驅動脈沖的作用下，順序地移出器件形成視頻信號，從而實現光與電、空間與時間上的轉換。本文對CCD視頻信號處理電路的設計進行了簡單的闡述。

　　關鍵詞：CCD視頻信號處理,電路設計

　　CCD圖像傳感器將光敏像元上的光信號轉換成電信號并存儲在MOS電容中，在驅動脈沖的作用下，順序地移出器件形成視頻信號，從而實現光與電、空間與時間上的轉換。CCD輸出信號比較特殊，其輸出的空間采樣信號就其振幅來講是模擬信號，其振幅反映出信號電荷包的大小，他們都是模擬量。但是，在時間上，這些信號受精確的驅動時鐘脈沖控制，因而類似數字移位寄存器，這就說明CCD信號即具有模擬性又有數字性。

　　一、前置放大電路

　　CCD器件是低功耗器件，其輸出的視頻信號電流非常小，也就是說，CCD的輸出信號不足以驅動后面的視頻處理電路，因此在CCD輸出級要加上一級電流放大電路，以提高帶負載能力。

　　本設計中TCD1206的輸出信號放大電路采用的是射極跟隨方式，因為射極跟隨器有高的輸入電阻和低的輸出電阻，能隔離前后級電路的相互影響，起緩沖作用，同時有較大的電流放大倍數，所以可用作視頻信號處理的輸入級。放大器件采用2SA1015晶體管，它是低噪聲的器件，電流放大倍數(hFE=80)線性好，電路實現如圖1.1所示。

　　二、視頻放大電路

　　如前所述，采用差動放大電路可以降低噪聲對視頻信號的影響。差動放大電路的設計主要考慮視頻信號的幅度、噪聲、工作頻率以及系統所要求的分辨能力，同時還要考慮電壓比較器的靈敏度，以提高測量精度。

　　對視頻放大器的主要技術要求如下。

　　輸入、輸出阻抗常為不平衡75ù、10MHz以內。

　　增益一般在幾db到幾十db之間。

　　幅頻特性從50Hz到10MHz應在±0.1db以內，50Hz以下應控制在±0.5db以內。

　　時延特性在10MHz以內應小于1ns，下限頻率一般應在數百赫茲。

　　輸出電平一般為1VP-P。

　　微分增益特性應在0.3%以內。

　　微分相位特性應在0.2%以內。

　　CCD光敏區在100lx左右的均勻光照下，其視頻信號的幅度為100-200mV，此時輸出的噪聲在50 mV，可見信噪比不大，對這樣的信號進行放大，突出問題是噪聲的抑制問題，而對放大倍率的要求不高。因此選用具有高共模抑制比的運算放大器可抑制驅動脈沖感應干擾信號并減小共模信號的影響。基于以上技術要求，選擇了差動寬帶視頻放大器LM733。

　　放大電路如圖1.2所示。CCD的兩個輸出端，一個是視頻信號輸出端UOS，另一個是補償信號輸出端UDOS。視頻信號電壓幅值僅為幾十到幾百毫伏，將T1和T2組成橋式射極跟隨電路作為視頻信號放大電路的輸入級。視頻信號和補償信號經過C1、C2耦合，分別送到差分運算放大器的兩個輸入端進行放大。電位器W1、W2既用來調節輸入信號的大小，又用來調節電路平衡。放大后的信號送入D1和W4 、R11組成的限幅電路，調節W4可用來改變限幅電平。最后信號由互補射隨器T4、T5輸出。調節W5可改變T3的工作點，對其輸出的視頻信號進行平衡調節，調節W6可改變輸出信號的幅值。

　　三、低通濾波電路

　　視頻信號是攜帶了被測物體信息的高頻脈沖信號，在視頻信號處理中采用一個低通濾波器將視頻信號中的高頻成分濾掉，獲取被測物體信息的幅值信號。濾波電路分為有源濾波電路和無源濾波電路兩種，與無源濾波器相比較，有源濾波器具有體積小、效率高、頻率特性好等一系列優點。在本系統中采用了運算放大器構成的有源低通濾波器。

　　1.低通濾波電路設計

　　當測量精度要求不高時，可采用一階有源低通濾波器。當測量精度要求較高時，為了改善濾波效果，使大于截止頻率的信號迅速衰減，常采用二階有源低通濾波器。

　　采用運算放大器組成二階有源低通濾波器的方法很多，本系統中的有源二階濾波器采用壓控電壓源型低通濾波器，使用元件少，對放大器的要求不高，是一種經濟實用的電路。為了保證濾波器的性能穩定，運算放大器的通帶增益設計的低一些，阻尼系數大于0.707。二階壓控電壓源型低通濾波器的原理電路如圖1.3所示該電路。

　　2.濾波電路截止頻率對測量精度的影響

　　低通濾波電路的截止頻率影響電平切割法的二值化處理精度。當濾波電路的截止頻率太低時，不能濾掉視頻信號中的高頻噪聲信號。在時域中，濾波信號不平滑，濾波電容充放電過程也清晰可見，當切割電平有微小幅值變化時，二值化信號的寬度變化較大，測量精度低。

　　本系統設計中，濾波器的截止頻率設計為驅動電路工作頻率的1/2，既能有效地濾除高頻噪聲，也滿足奈奎斯特采樣定理，對測量精度影響很小。

　　四、二值化處理電路

　　光學系統把被測對象成像在CCD光敏像元上，由于被測物與背景在光強上的變化反應在CCD視頻信號中所對應的圖像尺寸邊界處會有明顯的電平變化，通過二值化處理把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實現CCD視頻信號二值化的方法很多，一般采用硬件電路。實現二值化處理方法主要有兩種：電平切割法和微分法。

　　1.微分法

　　微分法的設計意圖就是首先確定代表真正邊界的特征點，然后依照找到的特征點形成二值化信號。由于被測物體的邊緣是通光和擋光的交界點，理論上該處的光強變化率最大，該點就是濾波后的視頻信號電壓函數在過渡區內的拐點。由高等數學的知識知道，在拐點處，電壓函數的一次微分為最大值，二次微分為零。電路便于尋找為零的點，所以將微分法設計成二次微分，其原理如圖1.4所示。

　　微分法通過理論分析上確定被測物體的邊界特征點，但運放構成的有源微分電路中，由于運放本身具有零點漂移，使二次微分后的信號在零點附近有很多背景噪聲，使得過零觸發輸出信號雜亂，得不到正確波形。若是用一個微小電平觸發，就不再符合尋找邊界特征點的原理，實用中存在一定問題。微分電路對于視頻信號的電壓變化和外界環境的變化極其敏感，視頻信號處理電路也比較復雜，實用中二值化處理通常采用電平切割法。

　　2.電平切割法

　　電平切割法最常采用的是電壓比較器，如圖1.5(a)所示。其工作原理是利用電壓比較器的傳輸特性，將低通濾波后的視頻信號Ui送往比較器的同相端，將經可變電阻W分壓產生的閾值電平Uth送到比較器的反相端，在電壓比較器的輸出端加一個上拉電阻R，在比較器的輸出端就得到視頻信號的二值化處理結果。如圖1.5(b)所示，視頻信號電平低于閾值電平Uth的部分，電壓比較器均輸出低電平;視頻信號電平等于或高于閾值電平的部分，電壓比較器均輸出高電平，形成具有一定電平寬度的二值化信號，其高電平的寬度對應著被測尺寸的大小。

　　電平切割法的主要問題是閾值電平確定問題，由于CCD視頻信號中存在有過渡區，對于真實邊界的確定，閾值電平是影響測量精度重要因素之一。閾值電平不同，切割得到的二值化信號高電平寬度就不同。因此測量系統在使用前需要對系統標定，確定閾值電平的大小。由于許多因素都會引起視頻信號電壓幅值的變化，采用浮動閾值電路產生自動跟隨的閾值電壓可以提高二值化的精度。

　　浮動閾值法是使電壓比較器的閾值電壓隨測量系統的光源或隨CCD輸出視頻信號的幅值浮動。這樣，當CCD輸出的視頻信號起伏變化較大時，可以通過電路將視頻信號的起伏變化反饋到閾值上，使閾值電位跟著變化從，而提高精度。

　　如圖1.6所示，該電路中比較器的基準電平由三極管T的射極電位器提供，利用二極管的單向導電性使電容C上總保持被測信號的峰值，然后由三極管跟隨，經電位器分壓后產生切割電平，這種電路產生的切割電平是以峰值的大小為基準按比例產生的，因此可使閾值電位隨CCD視頻信號的起伏而變化。

　　當測量精度不高時可選用運算放大器構成的電壓比較器，而為了得到較高的測量精度多選用高速電壓比較器。

　　總之，本文從方案的制定、系統整體設計、軟硬件調試等一系列工作都遵照相關軟件前端設計的流程，并完成基本設計要求。通過本系統的設計工作，為日后的開發、設計工作積累了寶貴的經驗。

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