CCD相机的锁相设计

    1 引言

    由于CCD的动态范围大、信噪比高和转移效率高等诸多优点, CCD相机的需求越来越大,人们对它的功能要求也日益增加,如电子快门、C校正、背光补偿和同步等功能。这对于CCD相机在网络、通信、航天、测量等领域中的应用尤其重要。CCD相机的同步功能为其带来很多优点。它可以让多台相机同时对同一物体同步跟踪,反映物体在同一时刻不同方面的情况。CCD相机的同步方式一般有内同步,外同步和电源同步。外同步是通过外置同步信号发生器将特定的同步信号送入相机的外同步输入端,完成满足对相机的特殊控制需要。本文利用CXD2463R的外同步功能,分解设计锁相环的低通滤波器和压控振荡器部分,实现CCD相机的外同步功能,并分析了锁相环的噪声。

    2 锁相环原理

    锁相环诞生于20世纪30年代。近年来,锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域,能够高性能地完成信号的提取、跟踪与同步、模拟和数字通信的调制与解调、频率合成、滤波等功能,已经成为电子设备中常用的基本部件之一。

    锁相环路(PLL)是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统,由鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成。锁相环原理框图如图1。

    锁相环基本工作过程是:PD用来比较输入信号和反馈信号的相位偏差,并产生一个误差电压Ud(t)。误差电压中的高频成分(包括噪声中的高频成分)被LPF滤除,形成控制电压Uc(t)。在控制电压作用下,VCO的频率和相位向着环路输入信号方向变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相差不再随时间变化,误差电压为一固定值,这时环路就进入/锁定0状态。这就是锁相环工作的过程。

    设输入的信号为固定频率的信号Ui(t)=Usin(Xit+Hi(t)),输出信号为Uo(t)=Ucos(Xot+Ho(t))。则两信号瞬时相差为He(t)=(Xi-Xo)t+Hi-Ho(t)。对瞬时相位差求导得到瞬时频差dHe(t)/dt=Xi-Xo-dHo(t)/dt。因此要使CCD相机同步就必须使瞬时频差

    3 CCD相机锁相环路设计

    目前我们使用的锁相环器件一般都是集成器件,例如TEXAS公司的CD74HC4046A,使用方便,功耗低。但是,往往根据实际情况,利用已有元器件具有的锁相环的部分功能,设计锁相环路其余电路,完成锁相环路设计,可以到达异曲同工的目的。这样分解设计锁相环为锁相环的应用提供了广阔的应用空间,同时也为设计带来灵活性。充分发挥已有器件CXD2463R的功能,避免使用多余器件,节省电路板空间,降低功耗,提高CCD相机的电磁兼容性和可靠性。