Circuitos Integrados de Processamento de Sinal CCD para Imagem de Precisão

Os smartphones quase universalmente usam sensores CMOS, mas existem muitas aplicações que dependem de sensores CCD. Câmeras fotográficas de alta resolução, imagens de tempo de voo, câmeras de vídeo CCTV e muitas aplicações de imagem ou medição de precisão fazem uso de um sensor CCD e requerem um IC para processamento de sinal. Os chipsets de processador de sinal CCD operam em uma variedade de velocidades e profundidades de bits, fornecendo uma gama de profundidade de cor e taxas de quadros para uma variedade de aplicações.

O grande aspecto desses chipsets é que eles integram os componentes importantes de processamento de sinal em um único pacote, em vez de forçar um designer a construí-los manualmente a partir de componentes discretos. Isso permite que sistemas de imagem especializados sejam colocados em placas menores e em embalagens menores. Aqui está o que procurar no seu próximo IC de processador de sinal CCD e algumas opções para uma variedade de aplicações.

Por que usar um processador de sinal CCD?

Antes de entrarmos no reino de arrays CCD altamente integrados com capacidades de processamento de imagem integradas, a maioria das funções tinha que ser construída com componentes lineares discretos, por exemplo, op-amps, chaves analógicas e ADCs/DACs. Assim como vimos com cadeias de sinal comuns em outras aplicações, as cadeias de processamento de sinal para CCDs seguiram a tendência familiar de integração em pacotes únicos com pequena pegada.

Um IC de processador de sinal CCD lida com todas as etapas de processamento de sinal necessárias desde a coleta da saída de carga de uma coluna CCD até a saída digital com um ADC. Existem algumas etapas importantes de condicionamento de sinal que devem ser realizadas pela frente analógica antes da conversão de dados. A etapa importante na frente analógica é a amostragem dupla correlacionada (CDS). Isso envolve calcular a diferença entre os níveis de referência e de dados do sinal CCD, o que elimina alguns ruídos determinísticos no sinal CCD. Essa diferença é então traduzida em um nível de cinza e/ou profundidade de cor em uma unidade de exibição.

Essa função de medição importante e outras funções de correção de imagem são integradas em ICs de processador de sinal CCD padrão. As etapas de correção de imagem padrão necessárias na conversão de dados CCD são restauração de DC (clamping), correção de ganho e deslocamento, e conversão A/D. Usar um IC de processador de sinal CCD elimina a necessidade de programar manualmente essas funções em um processador já que elas são definidas no nível do firmware.

Especificações do processador de sinal CCD a considerar

Navegar pela gama de especificações do processador de sinal CCD pode ser um pouco assustador à primeira vista, mas essas especificações determinarão quão rápido e com precisão o sistema pode adquirir dados do CCD. Aqui estão algumas especificações importantes para entender na sua ficha técnica:

• Taxa de amostragem: Esta é uma das especificações mais importantes, pois determinará a taxa de aquisição de imagem. Para sistemas de vídeo, isso determinará a taxa de quadros. Aplicações de vídeo que requerem alta resolução sem enormes taxas de quadros ainda exigem uma alta taxa de amostragem para adquirir imagens com uma taxa de quadros razoável. Isso é normalmente especificado em MSPS ou MHz.
• Número de canais: Lembre-se de que os CCDs são lidos em colunas, e o número de canais refere-se ao número de colunas que podem ser lidas em paralelo. Isso permite que a taxa de quadros básica seja multiplicada pelo número de canais.
• Taxa de quadros: Isso na verdade não é especificado em uma ficha técnica, embora possa ser determinado usando o número de pixels na matriz CCD, número de canais e taxa de amostragem.
• Interface de saída: Essas interfaces referem-se a como os dados podem ser lidos de e para o processador de sinal CCD. Uma saída comum é via LVDS, enquanto sistemas de câmera mais novos transmitirão dados via MIPI.
• Profundidade de bits: Isso determinará o nível de cinza ou profundidade de cor na imagem adquirida. As profundidades de bits comuns são 10 bits, 12 bits e 16 bits.
• Fator de forma: Isso é sempre uma consideração importante, mas é particularmente importante para sistemas de imagem menores. Mesmo sistemas de câmera maiores terão alguns limites de espaço, e geralmente é melhor escolher um componente menor para fazer espaço para qualquer óptica necessária.
• Faixa de tensão e consumo de energia: Estas são outras duas especificações importantes para qualquer componente, mas são bastante importantes aqui, pois determinarão a vida útil do dispositivo quando implantado em campo.

Analog Devices, AD9970BCPZ

O processador de sinal AD9970BCPZ da Analog Devices é um componente de menor custo para processamento de imagem, mas vem com um custo baixo comparado a outros dispositivos para sistemas de câmera. Imagens de alta resolução podem ser coletadas a 65 MSPS a 14 bits com saída LVDS para supressão de ruído. Este componente inclui um amplificador de ganho variável integrado com até 42 dB de ganho e um driver de temporização integrado. Algumas aplicações incluem câmeras profissionais de HDTV, câmeras de transmissão e sistemas de imagem de precisão para aplicações industriais.

Diagrama de blocos funcional para o processador de sinal CCD AD9970BCPZ. Do datasheet do AD9970BCPZ.

Texas Instruments, LM98725CCMT/NOPB

O front end analógico LM98725CCMT/NOPB da Texas Instruments fornece uma taxa de amostra de 81 MSPS a 16 bits. Este componente de front end analógico é uma metade de um sistema completo de processamento de imagem para coleta de imagens de alta resolução com alta taxa de quadros através de amostragem síncrona de 3 canais. Isso pode ser combinado com um ASIC ou processo embutido para formar uma arquitetura de processamento de imagem completa para imagens e vídeos de alta qualidade.

Front end analógico e diagrama de bloco do ASIC de processamento de imagem. Do datasheet do LM98725.

Este dispositivo emite dados via LVDS, requer um relógio de entrada para acionamento, e pode ser configurado por uma interface SPI. O dispositivo inclui um gerador de tempo integrado e PLL para acionar os drivers de sensor e os registros de deslocamento para leitura de dados de um sensor CCD. Algumas aplicações incluem produtos como scanners de moeda ou documentos, ambos requerendo algumas funções integradas de visão computacional.

Analog Devices, ADDI9036

O ADDI9036 da Analog Devices é um produto de ponta para sistemas de imagem de tempo de voo. Este dispositivo opera a 45 MSPS com profundidade de 12 bits, e inclui um driver de diodo laser integrado para imagem de tempo de voo, um driver H de 7 canais, e um driver vertical (V-driver) de 16 canais. Os relógios de deslocamento horizontal CCD e as saídas do driver de diodo laser podem ser configurados com ~174 ps. Assim como o componente anterior da Analog Devices, este componente também fornece fixação de nível preto integrado e um amostrador duplo correlacionado (CDS). Este componente emite dados via MIPI CSI-2. O ADDI9036 está atualmente em produção, e placas de avaliação estão disponíveis para o desenvolvimento de aplicações de imagem de tempo de voo de alta resolução.

Placa de avaliação para o processador de sinal CCD ADDI9036. Da página do produto ADDI9036.

Seu próximo sistema de imagem baseado em CCD precisará de uma gama de componentes para processamento de imagem, e um processador de sinal CCD é a parte fundamental do front end analógico. Você pode encontrar os componentes mostrados aqui e muitas outras partes para sistemas de imagem em Octopart.

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