引言
目前﹐數(shù)碼相機(jī)技術(shù)進(jìn)步很快，朝著高解析﹑高ISO、多功能、超薄、超小、防水、防震等方面不斷發(fā)展。但其中，數(shù)碼相機(jī)拍出的照片圖像質(zhì)量才是最重要的﹐圖片的成像質(zhì)量與鏡頭、CCD﹑DSP等等均有關(guān)聯(lián)，特別是影像處理部分硬件方面的設(shè)計(jì)尤顯關(guān)鍵。
本文所說的影像處理部分硬件包含以下幾個(gè)部分。(見圖1)
關(guān)鍵元器件的選擇
(1)CCD光電耦合器
CCD的總類較多﹐按濾光片的顏色分有原色CCD及補(bǔ)色CCD，原色CCD濾光片按綠藍(lán)﹑紅綠方式排序，補(bǔ)色CCD濾光片按洋紅綠﹑青黃方式排序。基本上，原色CCD的色彩還原性好但靈敏度差﹐補(bǔ)色CCD的色彩還原性差但靈敏度好﹐一般數(shù)碼相機(jī)使用原色CCD的較多。按電荷的轉(zhuǎn)移方式分有全幀轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)(FT)CCD﹑行間轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)(IT)CCD﹑幀行轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)(FIT)CCD。FT CCD器件面積較大，價(jià)格較低;IT CCD面積最小﹑價(jià)格最低;FIT CCD面積最大﹐價(jià)格最高﹐綜合考慮﹐一般家用普通數(shù)碼相機(jī)均使用IT CCD。
首先﹐根據(jù)相機(jī)的設(shè)計(jì)要求決定CCD使用多少的像素﹐再根據(jù)與鏡頭的搭配性確認(rèn)其合適的尺寸﹐并仔細(xì)了解CCD的規(guī)格書﹐重點(diǎn)確認(rèn)飽和輸出及靈敏度的值(如圖2 )﹐選用值大的產(chǎn)品。簡單來說﹐CCD就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件(如圖3)。
(2) IC AFE
AFE模擬前端，TG時(shí)序發(fā)生器，CDS關(guān)聯(lián)雙倍取樣器，通常與CCD驅(qū)動(dòng)、ADC等整合在一起，組成一個(gè)整體的從CCD電荷讀出、取樣、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元IC AFE。基本上，只要選定了CCD，此處理單元AFE也隨之確定。AFE就是將CCD輸出的仿真電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的器件(如圖4、圖5)。
(3)DSP數(shù)字處理器
DSP主要就是對(duì)經(jīng)過AFE得到的數(shù)字影像信號(hào)進(jìn)行一系列處理﹐如白平衡﹑亮度調(diào)整﹑色調(diào)整﹑γ修正﹑銳利化﹑白點(diǎn)﹑熱燥點(diǎn)補(bǔ)正﹑噪聲處理﹑壓縮等﹐一般根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)格﹑DSP廠商演示實(shí)際效果評(píng)價(jià)﹑成本分析等決定。(見圖6、圖7)
電路設(shè)計(jì)
上述關(guān)鍵元器件確定后﹐就可以根據(jù)廠商提供的規(guī)格書進(jìn)行電路設(shè)計(jì)﹐本文以CCD使用Panasonic MN34542PAJ(12M像素)﹐AFE 使用Panasonic NN12083A﹐DSP 使用Novatek NT96433BG作做設(shè)計(jì)。
電路重點(diǎn)分析說明
(1) CCD使用-6V及+12V兩組電源，其中+12V同時(shí)提供給CCD輸出電流放大IC U3使用﹐CCD輸出的信號(hào)質(zhì)量直接影響圖像質(zhì)量﹐故對(duì)+12V電源噪聲要求很高﹐需小于60mV(越小越好)。
(2) 在AFE電路中﹐CCD信號(hào)進(jìn)入AFE前設(shè)計(jì)了一個(gè)由R210及C242組成的簡單的RC濾波器﹐將高頻噪聲濾掉。AFE各部分使用的電源對(duì)噪聲要求較高﹐故使用了三個(gè)LDO對(duì)電源進(jìn)行凈化﹐+1.8V同時(shí)提供TG及 模擬部分﹐用L200作分隔。H1/H2/HL/RG均是對(duì)CCD電荷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)移及清除用的﹐頻率為40.5MHz﹐瞬間電流較大(達(dá)到60~80mA)，對(duì)EMI影響很大﹐增加FL200/FL201 LC濾波器作改善。
PCB設(shè)計(jì)
考慮到裝配需求﹐通常CCD部分電路單獨(dú)使用一塊FPC﹐AFE/DSP及其他電路放在另一塊PCB上，通過FPC輸出連接。
(1) CCD FPC設(shè)計(jì)重點(diǎn)﹕一是CCD輸出兩旁及底部要完整包地﹐線寬要求8mils(1mils=0.0254mm)以上。二是H1/H2/HL/RG優(yōu)先走線，兩旁及底部要完整包地﹐線寬要求6mils以上﹐并且盡量遠(yuǎn)離CCD輸出信號(hào)(32mils以上)(見圖8、圖9)。
(2)AFE/DSP部分﹐CCD輸出﹑H1/H2/HL/RG要求同(1)﹐另外還需要注意﹕一是C237/238/239/241/243/244/246是提供基準(zhǔn)電平用的﹐必須與CCD輸出隔直電容C240盡量靠近;二是AFE每組電源旁需放置至少一個(gè)0.1mF的旁置電容;三是40.5MHz晶振必須遠(yuǎn)離CCD輸出信號(hào)。
調(diào)試
樣品組裝出來后，必須經(jīng)過復(fù)雜且繁瑣的調(diào)試過程，其中調(diào)試的項(xiàng)目、內(nèi)容、步驟很多，這里只介紹CCD輸出(輸入)信號(hào)取樣點(diǎn)的調(diào)整﹐因?yàn)榇藢?duì)圖像的質(zhì)量至關(guān)重要。
(1)調(diào)整H1/RG﹐使CCD輸出P與D部分寬度基本相等(如圖10)。
(2)調(diào)整SHP﹐使其上升沿在CCD輸出信號(hào)P段的相對(duì)平滑處﹐此為CCD輸出信號(hào)取樣比較(黑電平)的基準(zhǔn)點(diǎn)(如圖11、圖12)。
(3)調(diào)整SHD，使其上升沿在CCD輸出信號(hào)D段的幅度最大且相對(duì)平滑處，此為CCD輸出信號(hào)亮度取樣的基準(zhǔn)點(diǎn)。
常見圖像不良現(xiàn)象分析處理
(1)圖片左邊有一固定亮條。
原因﹕RG/HL驅(qū)動(dòng)電流過大。
對(duì)策﹕調(diào)整RG/HL驅(qū)動(dòng)電流至合適(無過沖)
(2)圖片上方有一固定亮條。
原因﹕RGVDD/HVDD電流響應(yīng)不夠快。
對(duì)策﹕靠近AFE IC RGVDD/HVDD PIN增加0.01mF LOW ESR MLCC電容。
(3)圖片中有一些固定的豎條紋。
原因﹕AFE TG時(shí)序與CCD垂直驅(qū)動(dòng)要求時(shí)序不符。
對(duì)策﹕調(diào)整AFE TG時(shí)序與CCD垂直驅(qū)動(dòng)要求時(shí)序一致。
(4)圖片中有一些固定的橫條紋。
原因﹕不同幀的曝光時(shí)間不同。
對(duì)策﹕調(diào)整DSP的相關(guān)設(shè)定﹐使曝光時(shí)間一致。
(5)圖片中有不固定的斜條紋。
原因﹕AFE CDS/CCD/TG電源噪聲大。
對(duì)策﹕調(diào)整AFE CDS/CCD/TG電源設(shè)計(jì)﹐盡量減小電源噪聲。
結(jié)語
本文針對(duì)數(shù)碼相機(jī)影像部分的硬件設(shè)計(jì)給出了一個(gè)從元器件的選擇到電路的制作﹑PCB的布線等整個(gè)過程的具體實(shí)施方案﹐并針對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試中常遇到的一些重點(diǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行了較深入的分析。