CN113067991A

CN113067991A - 自定义波形驱动电路

Info

Publication number: CN113067991A
Application number: CN202110343470.8A
Authority: CN
Inventors: 薛旭成; 贾平; 韩诚山; 薛栋林; 姜肖楠; 吕恒毅; 李洪法; 石俊霞
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-07-02

Abstract

本发明提供一种自定义波形驱动电路，包括电容和分别与电容耦接的输出电流型可编程电流源、吸收电流型可编程电流源，通过输出电流型可编程电流源与吸收电流型可编程电流源对电容的充放电改变电容的电压值，实现电压波形的自定义。与现有的CCD驱动电路相比，本发明通过调节输出电流型可编程电流源、吸收电流型可编程电流源的电流值，对电容进行不同程度的充电与放电，从而改变电压波形上升沿和下降沿的斜率，以满足波形不同部分对斜率的不同要求，在保证电荷转移效率的前提下，降低高频成分输入，提高成像的质量。

Description

自定义波形驱动电路

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，特别涉及一种自定义波形驱动电路。

背景技术

CCD(Change Couple Device，电荷耦合器件)是一种较为常用的图像传感器，能够把光学信号转换为模拟电信号。在光电成像过程中，CCD配合时序控制电路、外部驱动电路、放大电路、模数转换电路，将接收到的光学信号转换为易处理的数字图像信号。

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)是一种采用多行线阵扫描方式对同一物体进行多次积分累加成像的技术。在物体高速移动的情况下，传统的线阵CCD会出现曝光时间短，曝光量不足的问题，而TDICCD对物体进行多次积分累加提升了曝光时间，能够实现对物体曝光量不足的补偿。TDICCD适用于高速移动的物体，因此TDICCD广泛用于工业检测、航空成像以及空间成像领域。

TDICCD电荷转移方式是由CCD驱动电路波形决定的，转移方式主要包括突发转移和连续转移。突发转移方式的驱动波形比较简单，波形周期开始产生一个高电平脉冲信号，脉冲结束后回到低电平直到下一个周期。突发转移方式在收到驱动电路的脉冲信号后，一行电荷转移到水平移位寄存器中进行读出操作。在实际的TDICCD系统应用中，目标物体的运动是连续的，这种突发式电荷转移是不连续的，必然会造成像移，导致成像质量变差。这种由电荷转移引起的像移称之为电荷转移像移。为了弥补突发转移方式的不足，可以采用连续转移方式。相较于突发转移模式，电荷连续转移能够有效降低像移。由于驱动电路波形为矩形波，高低电平转换过程中的上升沿和下降沿过于陡立，电平跳变产生的高频成分会前馈到CCD视频信号中影响成像质量。

为了降低上升沿和下降沿的斜率，采用梯形波电路产生的梯形波进行改善，但梯形波仍然存在上升沿和下降沿边沿变化剧烈的问题，影响成像质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自定义波形驱动电路，通过对电容进行充放电控制，改变电压波形上升沿和下降沿的斜率，实现电压波形的自定义。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的自定义波形驱动电路，包括电容和分别与电容耦接的输出电流型可编程电流源、吸收电流型可编程电流源，通过输出电流型可编程电流源与吸收电流型可编程电流源对电容的充放电改变电容的电压值，实现电压波形的自定义。

优选地，控制输出电流型可编程电流源的电流值对电容进行不同程度的充电，改变电压波形的上升沿的斜率；以及控制吸收电流型可编程电流源的电流值对电容进行不同程度的放电，改变电压波形的下降沿的斜率。

优选地，输出电流型可编程电流源包括PNP三极管和第一可编程电位计，PNP三极管的基级作为使能控制端，PNP三极管的集电极与第一可编程电位计的一端耦接，第一可编程电位计的另一端接入供电电压，PNP三极管的发射极与电容耦接；当PNP三极管的基级输入低电平时，PNP三极管的发射极对电容充电，当PNP三极管的基级输入高电平时，关断输出电流型可编程电流源；以及通过调节第一可编程电位计的阻值，改变输出电流型可编程电流源的电流值。

优选地，吸收电流型可编程电流源包括NPN三极管和第二可编程电位计，NPN三极管的基级作为使能控制端，NPN三极管的集电极与电容耦接，NPN三极管的发射极与第二可编程电位计的一端耦接，第二可编程电位计的另一端接地；当NPN三极管的基级输入高电平时，NPN三极管的集电极对电容放电，当NPN三极管的基级输入低电平时，关断吸收电流型可编程电流源；以及通过调节第二可编程电位计的阻值，改变吸收电流型可编程电流源的电流值。

优选地，当吸收电流型可编程电流源与输出电流型可编程电流源同时关断时，电压波形保持水平状态。

优选地，自定义波形驱动电路还包括与电容连接的用于对电容的电压进行跟随的高输入阻抗放大器。

优选地，自定义波形驱动电路进一步包括与高输入阻抗放大器连接的用于对电容的电压进行偏置调整和放大的后级放大电路。

与现有的CCD驱动电路相比，本发明通过调节输出电流型可编程电流源、吸收电流型可编程电流源的电流值，对电容进行不同程度的充电与放电，从而改变电压波形上升沿和下降沿的斜率，以满足波形不同部分对斜率的不同要求，在保证电荷转移效率的前提下，降低高频成分输入，提高成像的质量。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的自定义波形驱动电路的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的输出电流型可编程电流源的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的吸收电流型可编程电流源的结构示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的自定义波形驱动电路所自定义的波形示意图。

其中的附图标记包括：电容1、输出电流型可编程电流源2、PNP三极管21、第一可编程电位计22、吸收电流型可编程电流源3、NPN三极管31、第二可编程电位计32、高输入阻抗放大器4、后级放大电路5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

由于传统成像系统驱动器产生的波形仅由驱动器本身的电路结构所决定，导致波形无法改变，通常为矩形波或梯形波，高低电平转换过程中的上升沿和下降沿过于陡立，电平跳变产生的高频成分会前馈到CCD视频信号中影响成像质量。由此，本发明提供一种自定义波形驱动电路，能够自定义波形，用来代替传统的驱动器产生的矩形波或梯形波，使波形变的平滑，降低高频成分输入，提高成像质量。

图1示出了根据本发明一个实施例的自定义波形驱动电路的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的自定义波形驱动电路，包括：电容1、输出电流型可编程电流源2、吸收电流型可编程电流源3、高输入阻抗放大器4和后级放大电路5，电容1的一端接地，另一端分别与输出电流型可编程电流源2的电流端口、吸收电流型可编程电流源3的电流端口、高输入阻抗放大器4的输入端耦接，后级放大电路5与高输入阻抗放大器4的输出端耦接。

输出电流型可编程电流源2用于对电容1进行充电，改变电容1两端的电压值，使电压波形的上升沿按照一定的斜率上升。

吸收电流型可编程电流源3用于对电容1进行放电，改变电容1两端的电压值，使电压波形的下降沿按照一定的斜率下降。

高输入阻抗放大器4用于对电容1两端的电压进行跟随，使得电容1两端的电压不受到后级放大电路5的影响。高输入阻抗放大器4为现有技术，故其具体结构在本发明中不再赘述。

后级放大电路5用于对电容1两端的电压进行偏置调整和放大，向CCD负载提供足够的驱动能力。由于CCD为电容性负载，所以后级放大电路5中的运算放大器要选择输出电流足够大的型号。后级放大电路5为现有技术，故其具体结构在本发明中不再赘述。

输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3的电流值大小决定了电容1的电压大小，也就决定了电压波形上升沿和下降沿的斜率大小。

电压波形的斜率为：

其中，Δt为时间变化量，Δu为电容1在Δt内的变化量，Δu与Δt的比值为电压波形的斜率，i为输出电流型可编程电流源2或吸收电流型可编程电流源3的电流值，c为电容1的电容量。

由此可见，输出电流型可编程电流源2的电流值越大，电压波形上升沿的斜率越大，吸收电流型可编程电流源3的电流值越大，电压波形下降沿的斜率越大。

由于输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3为可编程形式，所以通过控制输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3的电流值大小，就能控制电压波形上升沿与下降沿的斜率。在不同时间点，对输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3进行电流值的设置，就可以实现波形的自定义。

图2示出了根据本发明一个实施例的输出电流型可编程电流源的结构。

如图2所示，输出电流型可编程电流源2包括PNP三极管21和第一可编程电位计22，PNP三极管21的基级b作为输出电流型可编程电流源2的使能控制端，PNP三极管21的集电极c与第一可编程电位计22的一端耦接，第一可编程电位计22的另一端接入供电电压，PNP三极管21的发射极e作为电流端口与电容1耦接。

当PNP三极管21的基级b输入低电平时，输出电流型可编程电流源2使能，通过PNP三极管21的发射极e对电容1进行充电；当PNP三极管21的基级b输入高电平时，关断输出电流型可编程电流源2。

输出电流型可编程电流源2的电流值大小则由第一可编程电位计22决定。第一可编程电位计22的电阻值可设置，第一可编程电位计22设置的电阻值越小，则输出电流型可编程电流源2的电流值越大，第一可编程电位计22设置的电阻值越大，则输出电流型可编程电流源2的电流值越小。

图3示出了根据本发明一个实施例的吸收电流型可编程电流源的结构。

如图3所示，吸收电流型可编程电流源3包括NPN三极管31和第二可编程电位计32，NPN三极管31的基级b作为吸收电流型可编程电流源3的使能控制端，NPN三极管31的集电极c作为电流端口与电容1耦接，NPN三极管31的发射极e与第二可编程电位计32的一端耦接，第二可编程电位计32的另一端接地。

当NPN三极管31的基级b输入高电平时，吸收电流型可编程电流源3使能，NPN三极管31的集电极c对电容1进行放电；当NPN三极管31的基级b输入低电平时，关断吸收电流型可编程电流源3。

吸收电流型可编程电流源3的电流值大小则由第二可编程电位计32决定。第二可编程电位计32的电阻值可设置，第二可编程电位计32设置的电阻值越小，则吸收电流型可编程电流源3的电流值越大，第二可编程电位计32设置的电阻值越大，则吸收电流型可编程电流源3的电流值越小。

本发明通过三极管实现输出电流型可编程电流源2和吸收电流型可编程电流源3的电路，具有电路简单、可靠性高和成本低的优点。

输出电流型可编程电流源2采用PNP三极管21，吸收电流型可编程电流源3采用NPN三极管31的目的在于避免输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电源3同时对电容1进行使能。

当PNP三极管21与NPN三极管31的基极同时输入低电平时，输出电流型可编程电流源2使能，对电容1进行充电，此时吸收电流型可编程电流源3处于关断状态。

当PNP三极管21与NPN三极管31的基极同时输入高电平时，吸收电流型可编程电流源3使能，对电容1进行放电，此时输出电流型可编程电流源2处于关断状态。

由此可见，采用PNP三极管21与NPN三极管31能够择一对电容1进行充电或放电，避免同时对电容1进行充放电的情况发生。

通过在不同时刻调整输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3的电流值大小，就能实现对电压波形上升沿和下降沿的斜率控制；当输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3同时关断后，电压波形就处于水下状态。

图4示出了根据本发明一个具体实施例的自定义波形驱动电路所自定义的波形。

为了产生图4所示的电压波形，首先要确定不同时间段内的波形斜率(波形包括上升沿和下降沿)，根据式(1)可推导出：

根据式(2)就能得到输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3的电流值大小。

如图4所示，在t1时间段，输出电流型可编程电流源2使能，按照波形斜率设置输出电流型可编程电流源2的电流值，电压波形开始上升；当到达t2时间段时，增加输出电流型可编程电流源2的电流值，让上升沿的斜率变大；当到达t3时间段时，增加输出电流型可编程电流源2的电流值让上升沿的斜率更大；当到达t4时间段时，减小输出电流型可编程电流源2的电流值，让上升沿的斜率变小；当到达t5时间段时，进一步输出电流型可编程电流源2的电流值让上升沿的斜率变的更小。

在t1～t5时间段内，吸收电流型可编程电流源3一致处于关断状态，当波形到达t6时间段时，则关断输出电流型可编程电流源2，此时输出电流型可编程电流源2与吸收电流型可编程电流源3同时处于关断状态，让电压波形处于保持水平保持状态。

当到达t7时间段时，吸收电流型可编程电流源3使能，按照波形斜率设置吸收电流型可编程电流源3的电流值，电压波形开始下降；在t8、t9两个时间段内，逐渐增大吸收电流型可编程电流源3的电流值，让下降沿的斜率逐渐变大；在t10、t11两个时间段，逐渐减小吸收电流型可编程电流源3的电流值，让下降沿的斜率逐渐变小；当到达t12时间段时，关断吸收电流型可编程电流源3，由于输出电流型可编程电流源2在t7～t11时间段内一致处于关断状态，则在t12时间段内，电压波形处于保持水平状态。

通过上述对电压波形的自定义，上升沿与下降沿较为平缓，能够保证整个波形足够平滑，避免驱动波形产生高频信号馈入到CCD视频信号中，降低对成像质量的影响。

在实际情况中，应对不同的设计要求，本发明能够产生自定义的符合TDICCD要求的驱动波形，具有非常强的灵活性与可控性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“另一个示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种自定义波形驱动电路，其特征在于，包括电容和分别与所述电容耦接的输出电流型可编程电流源、吸收电流型可编程电流源，通过所述输出电流型可编程电流源与所述吸收电流型可编程电流源对所述电容的充放电改变所述电容的电压值，实现电压波形的自定义。

2.根据权利要求1所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，控制所述输出电流型可编程电流源的电流值对所述电容进行不同程度的充电，改变所述电压波形的上升沿的斜率；以及控制所述吸收电流型可编程电流源的电流值对所述电容进行不同程度的放电，改变所述电压波形的下降沿的斜率。

3.根据权利要求2所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，所述输出电流型可编程电流源包括PNP三极管和第一可编程电位计，所述PNP三极管的基级作为使能控制端，所述PNP三极管的集电极与所述第一可编程电位计的一端耦接，所述第一可编程电位计的另一端接入供电电压，所述PNP三极管的发射极与所述电容耦接；当所述PNP三极管的基级输入低电平时，所述PNP三极管的发射极对所述电容充电，当所述PNP三极管的基级输入高电平时，关断所述输出电流型可编程电流源；以及通过调节所述第一可编程电位计的阻值，改变所述输出电流型可编程电流源的电流值。

4.根据权利要求3所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，所述吸收电流型可编程电流源包括NPN三极管和第二可编程电位计，所述NPN三极管的基级作为使能控制端，所述NPN三极管的集电极与所述电容耦接，所述NPN三极管的发射极与所述第二可编程电位计的一端耦接，所述第二可编程电位计的另一端接地；当所述NPN三极管的基级输入高电平时，所述NPN三极管的集电极对所述电容放电，当所述NPN三极管的基级输入低电平时，关断所述吸收电流型可编程电流源；以及通过调节所述第二可编程电位计的阻值，改变所述吸收电流型可编程电流源的电流值。

5.根据权利要求4所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，当所述吸收电流型可编程电流源与所述输出电流型可编程电流源同时关断时，所述电压波形保持水平状态。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，还包括与所述电容连接的用于对所述电容的电压进行跟随的高输入阻抗放大器。

7.根据权利要求6所述的自定义波形驱动电路，其特征在于，进一步包括与所述高输入阻抗放大器连接的用于对所述电容的电压进行偏置调整和放大的后级放大电路。