CCD-Signalprozessor-ICs für präzise Bildgebung

Smartphones verwenden fast universell CMOS-Sensoren, aber es gibt viele Anwendungen, die auf CCD-Sensoren angewiesen sind. Hochauflösende Stillkameras, Time-of-Flight-Bildgebung, CCTV-Videokameras und viele Präzisionsbildgebungs- oder Messanwendungen nutzen einen CCD-Sensor und benötigen einen IC für die Signalverarbeitung. CCD-Signalprozessor-Chipsätze arbeiten mit einer Reihe von Geschwindigkeiten und Bit-Tiefen, die eine Reihe von Farbtiefen und Bildraten für verschiedene Anwendungen bieten.

Das großartige an diesen Chipsätzen ist, dass sie die wichtigen Signalverarbeitungskomponenten in einem einzigen Paket integrieren, anstatt einen Designer zu zwingen, sie manuell aus diskreten Komponenten aufzubauen. Dies ermöglicht es, spezialisierte Bildgebungssysteme auf kleineren Platinen und in kleineren Paketen unterzubringen. Hier ist, worauf Sie bei Ihrem nächsten CCD-Signalprozessor-IC achten sollten und einige Optionen für eine Reihe von Anwendungen.

Warum einen CCD-Signalprozessor verwenden?

Bevor wir in das Reich der hochintegrierten CCD-Arrays mit integrierten Bildverarbeitungsfähigkeiten eintraten, mussten die meisten Funktionen mit diskreten linearen Komponenten aufgebaut werden, z.B. Operationsverstärker, analoge Schalter und ADCs/DACs. So wie wir es bei gängigen Signalpfaden in anderen Anwendungen gesehen haben, haben Signalverarbeitungsketten für CCDs den bekannten Trend der Integration in einzelne Pakete mit kleinem Fußabdruck gefolgt.

Ein CCD-Signalprozessor-IC bearbeitet alle signalverarbeitenden Schritte, die erforderlich sind, von der Sammlung der Ladungsausgabe aus einer CCD-Spalte bis zum digitalen Ausgang mit einem ADC. Es gibt einige wichtige Signalanpassungsschritte, die von der analogen Frontend vor der Datenkonvertierung durchgeführt werden müssen. Der wichtige Schritt im analogen Frontend ist das korrelierte Doppelsampling (CDS). Dies beinhaltet die Berechnung der Differenz zwischen den Referenz- und Datenpegeln des CCD-Signals, was einige deterministische Geräusche im CCD-Signal eliminiert. Diese Differenz wird dann in einen Grauwert und/oder Farbtiefe in einer Anzeigeeinheit übersetzt.

Diese wichtige Messfunktion und andere Bildkorrekturfunktionen sind in standardmäßigen CCD-Signalprozessor-ICs integriert. Die standardmäßigen Bildkorrekturschritte, die bei der CCD-Datenkonvertierung erforderlich sind, sind DC-Restaurierung (Clamping), Verstärkungs- und Offsetkorrektur und A/D-Umwandlung. Die Verwendung eines CCD-Signalprozessor-ICs eliminiert die Notwendigkeit, diese Funktionen manuell in einen Prozessor zu programmieren, da sie auf Firmware-Ebene definiert sind.

Zu berücksichtigende Spezifikationen des CCD-Signalprozessors

Die Navigation durch die Bandbreite der Spezifikationen von CCD-Signalprozessoren kann auf den ersten Blick etwas entmutigend sein, aber diese Spezifikationen bestimmen, wie schnell und genau das System Daten vom CCD erfassen kann. Hier sind einige wichtige Spezifikationen, die Sie in Ihrem Datenblatt verstehen sollten:

• Abtastrate: Dies ist eine der wichtigsten Spezifikationen, da sie die Bildaufnahmerate bestimmt. Für Videosysteme wird dadurch die Bildfrequenz festgelegt. Videoanwendungen, die eine hohe Auflösung ohne enorme Bildfrequenzen erfordern, benötigen dennoch eine hohe Abtastrate, um Bilder mit einer angemessenen Bildfrequenz aufzunehmen. Dies wird normalerweise in MSPS oder MHz angegeben.
• Anzahl der Kanäle: Erinnern Sie sich daran, dass CCDs in Spalten ausgelesen werden, und die Anzahl der Kanäle bezieht sich auf die Anzahl der Spalten, die parallel ausgelesen werden können. Dies ermöglicht es, die grundlegende Bildfrequenz mit der Anzahl der Kanäle zu multiplizieren.
• Bildfrequenz: Diese wird tatsächlich nicht in einem Datenblatt angegeben, obwohl sie anhand der Anzahl der Pixel im CCD-Array, der Anzahl der Kanäle und der Abtastrate bestimmt werden kann.
• Ausgangsschnittstelle: Diese Schnittstellen beziehen sich darauf, wie Daten in den CCD-Signalprozessor ein- und ausgelesen werden können. Ein gängiger Ausgang erfolgt über LVDS, während neuere Kamerasysteme Daten über MIPI ausgeben.
• Bit-Tiefe: Dies bestimmt den Graustufen- oder Farbtiefenwert im erfassten Bild. Gängige Bit-Tiefen sind 10-Bit, 12-Bit und 16-Bit.
• Bauform: Dies ist immer eine wichtige Überlegung, aber sie ist besonders wichtig für kleinere Bildgebungssysteme. Auch größere Kamerasysteme haben einige Platzbeschränkungen, und es ist im Allgemeinen besser, eine kleinere Komponente zu wählen, um Platz für die erforderliche Optik zu schaffen.
• Spannungsbereich und Stromverbrauch: Dies sind zwei weitere wichtige Spezifikationen für jede Komponente, aber sie sind hier besonders wichtig, da sie die Lebensdauer des Geräts bestimmen, wenn es im Feld eingesetzt wird.

Analog Devices, AD9970BCPZ

Der AD9970BCPZ Signalprozessor von Analog Devices ist eine Komponente für die Bildverarbeitung im unteren Preissegment, kommt aber im Vergleich zu anderen Geräten für Kamerasysteme kostengünstig daher. Hochauflösende Bilder können mit 65 MSPS bei 14-Bit mit LVDS-Ausgang für die Rauschunterdrückung erfasst werden. Diese Komponente beinhaltet einen integrierten variablen Verstärker mit bis zu 42 dB Verstärkung und einen integrierten Timing-Treiber. Einige Anwendungen umfassen professionelle HDTV-Kameras, Broadcast-Kameras und Präzisionsbildgebungssysteme für industrielle Anwendungen.

Funktionsblockdiagramm für den AD9970BCPZ CCD-Signalprozessor. Aus dem AD9970BCPZ Datenblatt.

Texas Instruments, LM98725CCMT/NOPB

Das LM98725CCMT/NOPB Analog-Frontend von Texas Instruments bietet eine Abtastrate von 81 MSPS bei 16-Bit. Diese Analog-Frontend-Komponente ist eine Hälfte eines kompletten Bildverarbeitungssystems zur Erfassung hochauflösender Bilder mit hoher Bildfrequenz über 3 synchrone Kanalabtastungen. Dies kann mit einem ASIC oder eingebetteten Prozess kombiniert werden, um eine vollständige Bildverarbeitungsarchitektur für hochwertige Bilder und Videos zu bilden.

Analoges Frontend und ASIC-Blockdiagramm zur Bildverarbeitung. Aus dem LM98725 Datenblatt.

Dieses Gerät gibt Daten über LVDS aus, benötigt eine Eingangsuhr für das Auslösen und kann über eine SPI-Schnittstelle konfiguriert werden. Das Gerät umfasst einen integrierten Zeitgeber und PLL, um die Sensortreiber auszulösen und Schieberegister zum Auslesen von Daten aus einem CCD-Sensor. Einige Anwendungen umfassen Produkte wie Währungs- oder Dokumentenscanner, die beide einige integrierte Funktionen zur Bilderkennung benötigen.

Analog Devices, ADDI9036

Der ADDI9036 von Analog Devices ist ein weitaus hochwertigeres Produkt für Time-of-Flight-Bildgebungssysteme. Dieses Gerät arbeitet mit 45 MSPS bei 12-Bit-Tiefe und umfasst einen integrierten Laserdiodentreiber für Time-of-Flight-Bildgebung, einen 7-Kanal-H-Treiber und einen 16-Kanal-Vertikaltreiber (V-Treiber). Die CCD-Horizontalschaltuhren und die Ausgänge des Laserdiodentreibers können mit ~174 ps konfiguriert werden. Genau wie die frühere Komponente von Analog Devices bietet auch diese Komponente integrierte Schwarzpegelklemmung und einen korrelierten Doppelsampler (CDS). Diese Komponente gibt Daten über MIPI CSI-2 aus. Der ADDI9036 ist derzeit in Produktion, und Evaluierungsboards sind verfügbar für die Entwicklung von hochauflösenden Time-of-Flight-Bildgebungsanwendungen.

Evaluierungsboard für den ADDI9036 CCD-Signalprozessor. Von der ADDI9036 Produktseite.

Ihr nächstes CCD-basiertes Bildgebungssystem benötigt eine Reihe von Komponenten für die Bildverarbeitung, und ein CCD-Signalprozessor ist der grundlegende Teil des analogen Frontends. Sie können die hier gezeigten Komponenten und viele andere Teile für Bildgebungssysteme auf Octopart finden.

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