东芝线阵CCD芯片TCD1305DG驱动时序设计

最近在做微型光谱仪，用到了东芝的CCD芯片TCD1305DG，该芯片是单行3648像素，输出信号是时间上离散的模拟信号，典型输出速率为0.5M，即每2000ns输出一个像素值（模拟信号），芯片内部集成了相关双采样电路，直接输出稳定的像元电压值，而不是传统的三阶梯信号。TCD1305DG需要三路驱动信号，分别是主时钟CLK，移位输出信号SH，积分清除信号ICG，芯片手册上给出的时序波形如下：

图1 TCD1305DG驱动时序

该CCD的基本工作原理如下：光敏元接收外部光信号并将其转换为电荷储存在光敏元下方的电子势阱中，当积分清除栅ICG为低电平时，如果检测到转移栅SH信号下降沿，就会将电子势阱中积累的电荷转移到模拟移位寄存器中，等待ICG回到高电平后，模拟移位寄存器中的电荷就在主时钟CLK作用下逐个的输出到OS管脚上，每四个主时钟周期输出一个像素电压值，所以ICG的高电平的持续时间需保证所有的像素电荷都已经输出，故ICG的高电平持续时间称为转移时间。而ICG低电平时SH的下降沿到SH的前一个下降沿之间的时间间隔称为积分时间（如图2所示），在这段时间里光敏元不断地积累电荷，线阵CCD的成像效果与积分时间有着密切的关系。

图2 积分时间示意图

一. TCD1305DG驱动时序设计

本设计中根据TCD1305DG芯片手册将积分时间设为50us，主时钟周期为500ns，取图1中的t2为500ns，t3为2500ns，ICG低电平持续时间为8000ns，ICG高电平期间输出3696个像素值（实际上只有3694个像素，此处取为3696是为了与SH信号同步：3696 X (500 X 4) + 8000 = N*50us）。三路驱动信号的波形图设计如下：

图3 驱动信号波形设计参数

下面分别介绍这三路信号的产生方法：

1. 主时钟CLK

主时钟CLK周期为2M，可以直接对晶振分频得到，此处采用100M晶振，对其50分频就可以得到2M的时序信号，设计verilog代码如下：

//------------generate CCD_CLK, 2M-------------------
reg [5:0] cnt_clk;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_clk <= 6'd0;
else if(cnt_clk == 6'd49)  // 1/50 divide, 100M TO 2M
    cnt_clk <= 6'd0;
else
    cnt_clk <= cnt_clk + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    CCD_CLK <= 1'b1;
else if(cnt_clk == 6'd25)
    CCD_CLK <= 1'B0;
else if(cnt_clk == 6'd0)
    CCD_CLK <= 1'B1;
//--------------------------------------------------

2. 移位信号SH

移位信号的周期就是积分时间，此处为50us，每个周期内的波形为500ns电平、2500ns高电平以及47000ns低电平（图3），产生SH的方法如下：首先由晶振分频产生周期为500ns的使能时钟clk1，clk1的0-490ns为低，490-0ns为高；由clk1控制计数器 cnt_sh的变化，cnt_sh每500ns计一个数，计满100个数后归零，由cnt_sh就可以生成周期为50us的时序信号SH，具体过程如图4所示：

图4 移位信号SH生成方法

根据以上原理设计verilog代码如下：

//----------generate clk1, 490ns-low, 50ns-high-------
reg clk1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    clk1 <= 1'b0;
else if(cnt_clk == 6'd49)
    clk1 <= 1'b1;
else
    clk1 <= 1'b0;
//----------------------------------------------------

//----------generate SH ----------------------------
reg [6:0] cnt_sh;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_sh <= 7'd0;
else if((cnt_sh == 7'd99) && clk1)  // attention!! - clk1
    cnt_sh <= 7'd0;
else if(clk1)
    cnt_sh <= cnt_sh + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    SH <= 1'B0;
else if((cnt_sh == 7'd0) && clk1)
    SH <= 1'B1;
else if((cnt_sh == 7'd5) && clk1)
    SH <= 1'B0;
//--------------------------------------------------

3. 积分清除信号ICG

积分清除信号ICG的产生方法与SH的产生方法相同，由使能时钟clk1控制cnt_icg的变化，再由cnt_icg生成ICG信号，具体过程参考图4，此处仅给出对应的verilog代码：

//------------generate ICG--------------------------
reg [13:0] cnt_icg;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_icg <= 14'd0;
else if((cnt_icg == 14'd14799) && clk1)
    cnt_icg <= 14'd0;
else if(clk1)
    cnt_icg <= cnt_icg + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    ICG <= 1'B1;
else if(cnt_icg == 14'd0)
    ICG <= 1'B0;
else if((cnt_icg == 14'd15) && clk1)  // 8000ns-low
    ICG <= 1'B1;
else if((cnt_icg == 14'd14799) && clk1)
    ICG <= 1'B0;
//--------------------------------------------------

二. AD芯片AD9200驱动时序设计

从CCD输出的光谱信号为时间上离散的模拟信号，经过AD转换电路后转换为数字信号输出，本设计中的AD转换芯片为AD9200，其驱动波形如下图：

图5 AD9200驱动波形

由图可知，在芯片输入时钟的上升沿采集模拟信号，经过三个时钟周期后，转换后得到的数字信号将出现在输出总线上，因此只需要为AD9200提供一个时钟信号，其频率与CCD输出频率一致，取为0.5MHz，当CCD输出一个有效像素模拟信号时，经过三个时钟周期，就可以在AD9200的输出总线上得到这个有效像素的数字信号。

像素的输出是在ICG的高电平期间进行的，所以可以将ICG的上升沿作为AD转换的启动信号，AD芯片的时钟AD_CLK与像素的输出速率一致，为0.5MHz，在AD_CLK的上升沿采集CCD输出的模拟信号，设计AD_CLK的上升沿与输出像素的中点对齐，如下图所示：

图6 AD转换时序设计图

根据图6设计verilog代码如下：

//------------generate AD_CLK-----------------------
reg AD_START;
//start AD at posedge ICG, stop AD at negedge ICG
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    AD_START <= 1'B0;
else if(cnt_icg == 14'd0)  //negedge ICG
    AD_START <= 1'B0;
else if((cnt_icg == 14'd15) && clk1)  // posedge ICG
    AD_START <= 1'B1;

reg [6:0] cnt_ad;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_ad <= 7'd0;
else if((cnt_ad == 7'd99) || !AD_START)  // 1/200 divide
    cnt_ad <= 7'd0;
else
    cnt_ad <= cnt_ad + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    AD_CLK <= 1'B0;
else if(cnt_ad == 7'd99)  // AD_CLK = 0.5M
    AD_CLK <= ~AD_CLK;
//-------------------------------------------------------

三. 完整的verilog代码

下面给出完整的verilog代码：

//CCD drive signal generate,
//output: CCD_CLK, SH, ICG
//2015/07/02

module sig_gen
(
    input clk,  //OSC = 100M
    input rst_n, //async reset
    output reg CCD_CLK,  //clock for CCD, 2M
    output reg SH,
    output reg ICG,
    output reg AD_CLK  //clock for AD
);

//------------generate CCD_CLK, 2M-------------------
reg [5:0] cnt_clk;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_clk <= 6'd0;
else if(cnt_clk == 6'd49)  // 1/50 divide, 100M TO 2M
    cnt_clk <= 6'd0;
else
    cnt_clk <= cnt_clk + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    CCD_CLK <= 1'b1;
else if(cnt_clk == 6'd25)
    CCD_CLK <= 1'B0;
else if(cnt_clk == 6'd0)
    CCD_CLK <= 1'B1;
//--------------------------------------------------

//----------generate clk1, 490ns-low, 50ns-high-------
reg clk1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    clk1 <= 1'b0;
else if(cnt_clk == 6'd49)
    clk1 <= 1'b1;
else
    clk1 <= 1'b0;
//----------------------------------------------------

//----------generate SH ----------------------------
reg [6:0] cnt_sh;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_sh <= 7'd0;
else if((cnt_sh == 7'd99) && clk1)  // attention!! - clk1
    cnt_sh <= 7'd0;
else if(clk1)
    cnt_sh <= cnt_sh + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    SH <= 1'B0;
else if((cnt_sh == 7'd0) && clk1)
    SH <= 1'B1;
else if((cnt_sh == 7'd5) && clk1)
    SH <= 1'B0;
//--------------------------------------------------

//------------generate ICG--------------------------
reg [13:0] cnt_icg;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_icg <= 14'd0;
else if((cnt_icg == 14'd14799) && clk1)
    cnt_icg <= 14'd0;
else if(clk1)
    cnt_icg <= cnt_icg + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    ICG <= 1'B1;
else if(cnt_icg == 14'd0)
    ICG <= 1'B0;
else if((cnt_icg == 14'd15) && clk1)  // 8000ns-low
    ICG <= 1'B1;
else if((cnt_icg == 14'd14799) && clk1)
    ICG <= 1'B0;
//--------------------------------------------------

//------------generate AD_CLK-----------------------
reg AD_START;
//start AD at posedge ICG, stop AD at negedge ICG
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    AD_START <= 1'B0;
else if(cnt_icg == 14'd0)  //negedge ICG
    AD_START <= 1'B0;
else if((cnt_icg == 14'd15) && clk1)  // posedge ICG
    AD_START <= 1'B1;

reg [6:0] cnt_ad;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    cnt_ad <= 7'd0;
else if((cnt_ad == 7'd99) || !AD_START)  // 1/200 divide
    cnt_ad <= 7'd0;
else
    cnt_ad <= cnt_ad + 1'b1;

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
    AD_CLK <= 1'B0;
else if(cnt_ad == 7'd99)  // AD_CLK = 0.5M
    AD_CLK <= ~AD_CLK;
//-------------------------------------------------------

endmodule

以上代码已经过仿真验证，可以准确地生成CCD和AD的驱动时序。