Trong bài viết này, mình sẽ thấy rằng lượng nhiễu trong dữ liệu hình ảnh từ cảm biến CCD có thể được giảm đáng kể bằng một kỹ thuật gọi là lấy mẫu kép tương quan.
Chào mừng bạn đến với loạt bài về cảm biến hình ảnh CCD (thiết bị kết hợp điện tích) của AAC . Cho đến thời điểm này, mình đã đề cập đến các loại CCD khác nhau , cũng như cấu trúc và hoạt động của chúng và hoạt động của đồng hồ .
Bài viết trước đã giải thích cách tín hiệu đầu ra CCD được tạo ra và nó đã xác định ba tính năng dạng sóng có trong mỗi pixel là debug đặt lại, mức đặt lại và mức dữ liệu.
mình không thể không ngạc nhiên trước sự khéo léo của loài người khi mình cho rằng sự thay đổi lặp đi lặp lại của điện áp này bằng cách nào đó có thể được chuyển đổi thành một hình ảnh hai chiều có thể so sánh với, và theo một số cách vượt trội so với nhận thức thị giác của mình. của thực tế. Khả năng của phim không kém phần kỳ diệu, nhưng mình không thể quan sát những gì đang xảy ra trong phim ở cấp độ phân tử theo cách mà mình có thể quan sát dạng sóng CCD trên máy hiện sóng.
Lấy mẫu kép tương quan
Khi nói đến xử lý tín hiệu CCD, chủ đề quan trọng nhất là lấy mẫu kép tương quan (CDS). Thuật ngữ này đề cập đến quy trình trong đó dạng sóng được lấy mẫu lặp lại ở hai thời điểm khác nhau, với mỗi cặp mẫu được sử dụng để tạo ra một điểm dữ liệu.
Lợi ích của lấy mẫu kép tương quan là giảm tiếng ồn. Bạn có thể coi nó như một dạng tín hiệu vi sai: thay vì trừ một tín hiệu điện áp khỏi phiên bản bổ sung của cùng một tín hiệu điện áp, mình tạm thời chia dạng sóng một đầu và trừ một điện áp tức thời khỏi điện áp tức thời thứ hai.
Trong trường hợp dạng sóng CCD, hai điện áp tức thời được thu nhận sao cho một điện áp ghi mức tham chiếu (đặt lại AKA) và điện áp kia ghi mức dữ liệu:
Giảm tiếng ồn
Như với tín hiệu vi sai, lấy mẫu kép tương quan là một phương tiện mạnh mẽ để giảm tiếng ồn, bởi vì các nguồn tiếng ồn nào ảnh hưởng đến cả mức tham chiếu và mức dữ liệu sẽ bị loại bỏ khi một điện áp bị trừ khỏi điện áp kia.
Nguồn nhiễu chính trong tín hiệu CCD được gọi là nhiễu kTC, là nhiễu nhiệt liên quan đến điện dung. Cường độ nhiễu kTC giống nhau trong các phần tham chiếu và dữ liệu của một pixel nhất định và do đó, nó bị loại bỏ bằng cách lấy mẫu kép tương quan.
Nói chung, hiệu quả mà CDS làm giảm các nguồn nhiễu phụ thuộc vào băng thông—nói cách khác, nó phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của tín hiệu nhiễu. Có một khoảng thời gian nhất định tách mẫu đầu tiên khỏi mẫu thứ hai và nếu giá trị của tín hiệu nhiễu thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian này, nhiễu sẽ không bị loại bỏ bằng phép trừ.
CCD tạo ra tiếng ồn tần số cao hơn mà việc lấy mẫu kép tương quan không thể loại bỏ, nhưng kỹ thuật này làm giảm ảnh hưởng của tiếng ồn tần số thấp hơn như tiếng ồn nhấp nháy (AKA 1/f) , biến đổi nguồn điện chậm và trôi nhiệt.
Thực hiện lấy mẫu kép tương quan
Thuật ngữ “lấy mẫu” có thể khiến bạn liên tưởng đến chuyển đổi tương tự sang số, như thể CDS đạt được bằng cách lấy hai mẫu ADC. Tuy nhiên, các hệ thống CCD thực hiện việc lấy mẫu kép này trong lĩnh vực tương tự. Có nhiều thực hiện mạch khác nhau; cái được hiển thị bên dưới là đơn giản và giúp minh bạna khái niệm chung.
Mạch bao gồm hai khối lấy mẫu và giữ (S/H) và một âm ly khác biệt. Hoạt động lấy mẫu và giữ ghi lại mức điện áp của tín hiệu tại một thời điểm cụ thể và sau đó duy trì giá trị đó.
Giải pháp S/H cơ bản chỉ là một tụ điện có FET tách tụ điện khỏi tín hiệu đầu vào:
Một xung điều khiển mẫu chuyển đổi trên FET và cho phép tụ điện sạc đến điện áp đầu vào. Miễn là đầu cuối của tụ điện khác được kết nối với một nút có trở kháng cao, thì không thể xảy ra hiện tượng phóng điện đáng kể và do đó, điện áp trên tụ điện (gần như) không đổi đủ lâu để thực hiện các tác vụ xử lý tín hiệu nào khác được yêu cầu.
Có thể đạt được hiệu suất cao hơn (hoặc ít nhất là giảm công sức thiết kế) bằng cách kết hợp một IC giữ mẫu và lấy mẫu chuyên dụng. Một số ví dụ là dòng LFx98x của Texas Instruments, SMP04 của Analog Devices và DS1843 của Maxim.
Trong mạch CDS, một khối S/H được kích hoạt tại tham chiếu t (tức là tại một thời điểm nào đó trong phần mức tham chiếu của dạng sóng pixel) và khối kia được kích hoạt tại dữ liệu t (tức là tại một thời điểm nào đó trong dữ liệu -phần cấp độ). Sau đó, âm ly chênh lệch sẽ trừ mức dữ liệu khỏi mức tham chiếu và tạo ra một điện áp đầu ra duy nhất sẵn sàng cho quá trình xử lý tiếp theo.
Bộ xử lý tín hiệu CCD
Có nhiều khía cạnh khác của xử lý tín hiệu tương tự CCD và chuyển đổi A/D, nhưng mình không nghĩ rằng chúng đáng để thảo luận chi tiết—thành thật mà nói, rất ít người trong mình sẽ cần tạo giao diện CCD tùy chỉnh từ một tập hợp các IC rời rạc . Có sẵn các giải pháp tích hợp cao và chúng mang đến sự tiện lợi và hiệu suất không thể đánh bại.
mình sẽ kết thúc bài viết này với các mô tả ngắn gọn về các phần khác của chuỗi tín hiệu CCD, với một chút trợ giúp từ biểu dữ liệu cho AD9845B, bộ xử lý tín hiệu CCD của Analog Devices.
Sơ đồ lấy từ bảng dữ liệu AD9845B .
- Độ lệch DC được dịch chuyển bằng cách ghép nối AC đầu tiên với tín hiệu sau đó áp dụng điện áp khôi phục DC.
- Tín hiệu được khuếch đại phù hợp với phạm vi toàn thang đo của ADC.
- Mạch con kẹp đen quang học sử dụng thông tin từ các pixel được che chắn ánh sáng để cải thiện dải động bằng cách loại bỏ độ lệch do dòng điện tối gây ra.
- Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số được đồng bộ hóa đúng cách sẽ tạo ra dữ liệu pixel số, với độ phân giải ADC được chọn theo dải động tối đa của CCD.
Phần kết luận
mình đã khám phá việc lấy mẫu kép tương quan và mình đã xem xét ở cấp độ cao về một hệ thống xử lý tín hiệu CCD điển hình. Bài tiếp theo sẽ tiếp tục loạt bài Công nghệ cảm biến hình ảnh với chủ đề thú vị về CCD liên quan đến các ứng dụng chuyên ngành.
