Układy scalone procesorów sygnałów CCD do precyzyjnego obrazowania

Smartfony niemal powszechnie używają czujników CMOS, ale istnieje wiele zastosowań, które polegają na czujnikach CCD. Aparaty fotograficzne o wysokiej rozdzielczości, obrazowanie czasu przelotu, kamery wideo CCTV oraz wiele precyzyjnych aplikacji do obrazowania lub pomiarów wykorzystują czujnik CCD i wymagają układu scalonego do przetwarzania sygnałów. Układy scalone procesorów sygnałów CCD pracują w różnych zakresach prędkości i głębi bitów, zapewniając różnorodność głębi kolorów i szybkości klatek dla różnych aplikacji.

Wspaniałą cechą tych układów scalonych jest integracja ważnych komponentów przetwarzania sygnałów w jednym pakiecie, zamiast zmuszania projektanta do ręcznego budowania ich z dyskretnych komponentów. Pozwala to na umieszczanie specjalistycznych systemów obrazowania na mniejszych płytach i w mniejszych opakowaniach. Oto, na co zwrócić uwagę przy wyborze następnego układu scalonego procesora sygnałów CCD i kilka opcji dla różnych zastosowań.

Dlaczego używać procesora sygnałów CCD?

Zanim wkroczyliśmy w sferę wysoko zintegrowanych tablic CCD z zintegrowanymi możliwościami przetwarzania obrazu, większość funkcji musiała być budowana z dyskretnych komponentów liniowych, np. wzmacniaczy operacyjnych, przełączników analogowych i przetworników ADC/DAC. Podobnie jak widzieliśmy to w przypadku wspólnych łańcuchów sygnałowych w innych aplikacjach, łańcuchy przetwarzania sygnałów dla CCD podążyły za znanym trendem integracji w pojedyncze pakiety o małym rozmiarze.

Układ scalony procesora sygnałów CCD obsługuje wszystkie kroki przetwarzania sygnałów wymagane od zbierania wyjścia ładunku z kolumny CCD do cyfrowego wyjścia z przetwornikiem ADC. Istnieje kilka ważnych kroków kondycjonowania sygnału, które muszą być wykonane przez analogowy front-end przed konwersją danych. Ważnym krokiem w analogowym froncie jest próbkowanie skorelowane podwójne (CDS). Polega to na obliczeniu różnicy między poziomem referencyjnym a poziomem danych sygnału CCD, co eliminuje niektóre deterministyczne szumy w sygnale CCD. Ta różnica jest następnie przekładana na poziom szarości i/lub głębię kolorów na jednostce wyświetlającej.

Ta ważna funkcja pomiarowa i inne funkcje korekcji obrazu są zintegrowane w standardowych układach scalonych procesorów sygnałów CCD. Standardowe kroki korekcji obrazu wymagane w konwersji danych CCD to przywracanie DC (zaciskanie), korekcja wzmocnienia i przesunięcia oraz konwersja A/D. Użycie układu scalonego procesora sygnałów CCD eliminuje potrzebę ręcznego programowania tych funkcji w procesorze, ponieważ są one definiowane na poziomie firmware.

Specyfikacje procesora sygnałów CCD, które należy rozważyć

Nawigacja po zakresie specyfikacji procesora sygnałów CCD może być na pierwszy rzut oka nieco zniechęcająca, ale te specyfikacje określą, jak szybko i dokładnie system może pozyskiwać dane z CCD. Oto kilka ważnych specyfikacji, które warto zrozumieć w swojej karcie katalogowej:

• Częstotliwość próbkowania: Jest to jedna z najważniejszych specyfikacji, ponieważ określa szybkość akwizycji obrazu. W systemach wideo będzie to determinować szybkość wyświetlania klatek. Aplikacje wideo, które wymagają wysokiej rozdzielczości bez ogromnych szybkości klatek, nadal wymagają wysokiej częstotliwości próbkowania, aby uzyskać obrazy z rozsądną szybkością klatek. Jest to zazwyczaj określane w MSPS lub MHz.
• Liczba kanałów: Przypomnijmy, że CCD są odczytywane w kolumnach, a liczba kanałów odnosi się do liczby kolumn, które mogą być odczytywane równolegle. Pozwala to na pomnożenie podstawowej szybkości klatek przez liczbę kanałów.
• Szybkość klatek: Właściwie nie jest to określone w karcie katalogowej, chociaż można to ustalić, używając liczby pikseli w tablicy CCD, liczby kanałów i częstotliwości próbkowania.
• Interfejs wyjściowy: Te interfejsy odnoszą się do sposobu, w jaki dane mogą być odczytywane z procesora sygnału CCD i do niego wprowadzane. Jednym z powszechnych wyjść jest przez LVDS, podczas gdy nowsze systemy kamer będą przesyłać dane przez MIPI.
• Głębia bitowa: Określi to poziom szarości lub głębię kolorów w uzyskanym obrazie. Powszechne głębie bitowe to 10-bit, 12-bit i 16-bit.
• Format: Jest to zawsze ważna kwestia, ale jest szczególnie ważna w przypadku mniejszych systemów obrazowania. Nawet większe systemy kamer będą miały pewne ograniczenia przestrzenne, i ogólnie lepiej jest wybrać mniejszy komponent, aby zrobić miejsce na wszelkie wymagane optyki.
• Zakres napięcia i zużycie energii: Są to dwie inne ważne specyfikacje dla każdego komponentu, ale są one tutaj bardzo ważne, ponieważ będą determinować żywotność urządzenia, gdy jest ono wdrożone w terenie.

Analog Devices, AD9970BCPZ

Procesor sygnału AD9970BCPZ od Analog Devices to komponent niższego segmentu do przetwarzania obrazu, ale jest dostępny w niskiej cenie w porównaniu z innymi urządzeniami do systemów kamer. Wysokiej rozdzielczości obrazy można zbierać z szybkością 65 MSPS przy 14-bitach z wyjściem LVDS dla tłumienia szumów. Ten komponent zawiera zintegrowany wzmacniacz o zmiennej wzmocnieniu do 42 dB i zintegrowany sterownik czasowy. Niektóre zastosowania obejmują profesjonalne kamery HDTV, kamery do transmisji i precyzyjne systemy obrazowania do zastosowań przemysłowych.

Schemat blokowy procesora sygnału CCD AD9970BCPZ. Z karty katalogowej AD9970BCPZ.

Texas Instruments, LM98725CCMT/NOPB

Front-end analogowy LM98725CCMT/NOPB od Texas Instruments zapewnia szybkość próbkowania 81 MSPS przy 16-bitach. Ten komponent front-endu analogowego stanowi połowę kompletnego systemu przetwarzania obrazu do zbierania obrazów wysokiej rozdzielczości z wysoką szybkością klatek przy próbkowaniu 3 synchronicznych kanałów. Może być połączony z ASIC lub wbudowanym procesem, aby utworzyć kompletną architekturę przetwarzania obrazu dla wysokiej jakości obrazów i wideo.

Układ analogowego frontu i przetwarzania obrazu ASIC. Z karty katalogowej LM98725.

To urządzenie wyprowadza dane przez LVDS, wymaga zegara wejściowego do wyzwalania i może być konfigurowane przez interfejs SPI. Urządzenie zawiera zintegrowany generator czasu i PLL do wyzwalania sterowników sensorów oraz rejestrów przesuwnych do odczytu danych z sensora CCD. Niektóre zastosowania obejmują produkty takie jak skanery walut czy dokumentów, które wymagają pewnych zintegrowanych funkcji wizji komputerowej.

Analog Devices, ADDI9036

ADDI9036 od Analog Devices to produkt wyższej klasy dla systemów obrazowania czasu przelotu. To urządzenie pracuje z prędkością 45 MSPS przy głębi 12 bitów i zawiera zintegrowany sterownik diody laserowej dla obrazowania czasu przelotu, 7-kanałowy sterownik H oraz 16-kanałowy sterownik pionowy (V-driver). Zegary przesuwne CCD i wyjścia sterownika diody laserowej mogą być konfigurowane z dokładnością ~174 ps. Podobnie jak wcześniejszy komponent od Analog Devices, ten komponent również zapewnia zintegrowane zaciskanie poziomu czerni i próbkowanie podwójne skorelowane (CDS). Ten komponent wyprowadza dane przez MIPI CSI-2. ADDI9036 jest obecnie w produkcji, a płytki ewaluacyjne są dostępne do opracowywania aplikacji obrazowania czasu przelotu o wysokiej rozdzielczości.

Płyta ewaluacyjna dla procesora sygnałów CCD ADDI9036. Z strony produktu ADDI9036.

Twój następny system obrazowania oparty na CCD będzie wymagał szeregu komponentów do przetwarzania obrazu, a procesor sygnałów CCD jest podstawową częścią analogowego frontu. Komponenty pokazane tutaj oraz wiele innych części do systemów obrazowania można znaleźć na Octopart.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.