B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------
Nguyn Chí Dũng
NGHIÊN CU THIT K CÁC H THNG CM BIN CHO H
THNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO
Chuyên ngành: K thut vin thông
LUN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
K thut vin thông
NGƯỜI HƯỚNG DN KHOA HC:
1. TS. Nguyễn Hoàng Dũng
Hà Ni 2016
B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
Nguyn Chí Dũng
NGHIÊN CU THIT K CÁC H THNG CM BIN CHO H
THNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO
Chuyên ngành: K thut vin thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
K thut vin thông
NGƯỜI HƯỚNG DN KHOA HC:
TS. Nguyễn Hoàng Dũng
Hà Ni 2016
MC LC
DANH MC HÌNH V ................................................................................................... 6
DANH MC BNG BIU ............................................................................................. 9
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 10
M ĐẦU ........................................................................................................................ 11
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS VÀ CCD .............................................................. 14
I. Cảm biến hình ảnh .................................................................................................. 14
1.1 Định nghĩa ........................................................................................................ 14
1.2 Kiến trúc cm biến thu thp hình nh .............................................................. 15
II. Cảm biến CCD và CMOS ..................................................................................... 18
2.1. Cm biến CCD [1] .......................................................................................... 18
2.2 Cm biến CMOS [2] ........................................................................................ 26
III. So sánh CCD và CMOS ....................................................................................... 32
CHƯƠNG II. CẢM BIN CCD CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS CCD ........... 36
I. Gii thiu ................................................................................................................ 36
II. Cu hình cm biến ................................................................................................. 37
2.1 Cu trúc tng th .............................................................................................. 37
2.2 Cu trúc pixel ................................................................................................... 39
2.3 Vertical Readout và Switching CCDs .............................................................. 41
III. Đánh giá ISIS ....................................................................................................... 42
3.1.Đánh giá camera và điều kin .......................................................................... 42
4
3.2 T l khung hình và kh năng xử lý đin np .................................................. 43
3.3 Đánh giá nhiễu ca ISIS-V12 .......................................................................... 45
3.4 Ci thin ........................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. THIẾT K H THNG CM BIN PHÁT HIN S KIN TC Đ
CAO VÀ ĐỒNG B VI ISIS-V16 CAMERA [6] ..................................................... 48
I. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................ 48
1.1 Ý tưởng............................................................................................................. 48
1.2 Cơ sở thc hin ................................................................................................ 48
1.3 Công c s dng ............................................................................................... 49
1.4 Ch tiêu k thut ............................................................................................... 50
II. Thiết kế h thng ................................................................................................... 50
2.1 Sơ đồ khi h thng ......................................................................................... 50
2.2 Khi cm biến .................................................................................................. 50
2.3 Khối điều khin ................................................................................................ 53
2.4 Khi hin th ..................................................................................................... 64
III. Mô phng trên Modelsim ..................................................................................... 64
3.1 Các thông s cơ bản và công c để mô phng ................................................. 64
3.2 To tr 80ns ...................................................................................................... 65
3.3 To tr 1us ........................................................................................................ 66
3.4 Nguyên nhân gây ra sai s v độ tr ................................................................ 67
IV. Thiết kế mch phn cng CPLD EPM240T100C5N TQFP100 ......................... 67
4.1 Khi np ........................................................................................................... 67
5
4.2 Khi cm biến và x lý tương tự ..................................................................... 67
4.3 Khi ngun ....................................................................................................... 67
4.4 Khi hin th và vào ra ..................................................................................... 69
KT LUẬN VÀ HƯNG PHÁT TRIN ..................................................................... 71
TÀI LIU THAM KHO .............................................................................................. 72
6
DANH MC HÌNH V
Hình 1. Chip CMOS và CCD trong thc tế ................................................................... 14
Hình 2. Sơ đ tng quan chip CCD ............................................................................... 16
Hình 3. Sơ đ khi cm biến CCD ................................................................................ 16
Hình 4. Sơ đ khi cm biến CMOS ............................................................................. 17
Hình 5. Cu to chíp CCD ............................................................................................. 18
Hình 6. Ánh sáng trên b mt chip CCD ....................................................................... 19
Hình 7. Cấu trúc đơn giản 2 chiu dc ngang ca chip CCD ..................................... 19
Hình 8. Cu trúc cm biến CCD .................................................................................... 21
Hình 9. Hot đng ca cm biến CCD ........................................................................... 21
Hình 10. Electron trong các đin cc ............................................................................. 22
Hình 11. Hai dng cấu trúc cơ bản ca CCD ................................................................. 23
Hình 12. (a) B khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan ly mẫu đôi ........ 24
Hình 13. Cu trúc cm biến nh CMOS ........................................................................ 26
Hình 14. Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đi ca mi pixel ........ 27
Hình 15. Mô hình CMOS APS (a) và cu trúc mng (b) ............................................... 29
Hình 16. Layout đim ảnh CMOS điển hình ................................................................. 29
Hình 17. Thiết kế điển hình ca CMOS trong camera................................................... 32
Hình 18. Xu hưng phát trin ca CMOS và CCD ....................................................... 34
Hình 19. Cu trúc ca ISIS V16 ................................................................................. 38
Hình 22. Mt ct A-A’ của hình 20................................................................................ 39
Hình 22. Sơ đ ca các mch phía trưc ....................................................................... 39
Hình 22. Mô phỏng trường điện t quanh trc X-Z....................................................... 39
Hình 23. Hot đng ca 2 kênh CCD lin nhau trong 4 phase truyn ........................... 41
Hình 24. ISIS-V16 camera thế h đầu tiên đ đánh giá hiệu năng ................................ 42
7
Hình 27. Qut điu khin bng lase có 200 cánh ........................................................... 43
Hình 27. Mt phn cánh qut đưc chp bi ISIS-V16 camera .................................... 43
Hình 27. Mi quan h gia tc đ bt hình và s quay ca cánh qut .......................... 43
Hình 28. Bn nh liên tiếp ca mt xung to ra nh sáng t LED (a) truyn thành công
và (b) truyn không hiu qu ......................................................................................... 44
Hình 29. Mi quan h gia kh năng chứa điện tích tối đa ng vi các tốc độ bt hình
khác nhau........................................................................................................................ 44
Hình 30. Sơ đ khi h thng nhn biết phát hin s kiên tc đ cao........................ 49
Hình 31. Sơ đ nguyên lý mch khuếch đi tín hiu s dng IC INA118 .................... 51
Hình 32. Sơ đ nguyên lý khi cm biến ánh sáng ........................................................ 51
Hình 33. Sơ đ lung d liu ca khi to tr ............................................................... 52
Hình 34. Kiến trúc bên trong khi to tr ...................................................................... 54
Hình 35. Lung d liu vào ra ca b cht tín hiu ....................................................... 55
Hình 36. Kiến trúc ca b cht tín hiu ......................................................................... 55
Hình 37. Mô phng hot đng ca b cht tín hiu ....................................................... 56
Hình 38. Sơ đ lung d liu ca b to tr .................................................................. 56
Hình 39. Kiến trúc ca b to tr ................................................................................... 57
Hình 40. Sơ đ lung d liu vào ra ca b chia tn s ................................................ 59
Hình 41. Kiến trúc ca b chia tn s 10 ln ................................................................. 59
Hình 42. Hot đng ca b chia tn s 10 ln ............................................................... 60
Hình 43. Sơ đ lung d liu vào ra ca b to chu k tr ............................................ 60
Hình 44. Kiến trúc ca b to chu k tr ....................................................................... 61
Hình 45. Sơ đ lung d liu ca màn hình LCD 16 x 2 .............................................. 62
Hình 46. Sơ đ nguyên lý mch mc màn hình LCD .................................................... 64
Hình 47. V trí các thông s cơ bản và kết qu trong màn hình mô phng ca Modelsim
........................................................................................................................................ 65
Hình 48. Kết qu mô phng tr 80ns ............................................................................. 66
8
Hình 49. Kết qu mô phng tr 1 us .............................................................................. 66
Hình 50. Khi np theo chun JTAG ............................................................................. 67
Hình 51. Khi cm biến và x lý tương tự .................................................................... 68
Hình 52. Khi ngun ...................................................................................................... 68
Hình 53. Sơ đ nguyên lý ca khi hin th LCD và khi vào ra .................................. 69
Hình 54. Sơ đ mạch 3D sau khi đã thiết kế .................................................................. 69
9
DANH MC BNG BIU
Bng 1. Bảng so sánh giữa CCD và CMOS................................................................... 33
Bng 2. Thông s k thut ca ISIS-V12 so vi ISIS-V16 ........................................... 37
Bng 3. Bng mô t các lung vào ra ............................................................................ 53
Bng 4. Bng mô t các lung vào ra ca b cht tín hiu ............................................ 55
Bng 5. Bng mô t lung vào ra ca b to tr ............................................................ 57
Bng 6. Bng mô t lung vào ra ca b chia tn s ..................................................... 59
Bng 7. Bng mô t lung d liu vào ra ca b to chu k tr .................................... 61
Bng 8. Bảng mô tả chân tín hiệu của LCD ................................................................... 63
10
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cu thc s ca tôi phi hp
cùng vi nhóm nghiên cứu, được thc hiện i s hướng dn khoa hc ca TS. Nguyn
Hoàng Dũng.
Các s liu, kết qu nghiên cu trong lun văn này là trung thực.
Tôi xin chu trách nhim v nghiên cu ca mình.
Hc viên
Nguyn Chí Dũng
11
M ĐẦU
1. Tng quan v camera tc đ cao
Trong cuc sng, sn xut hay nghiên cu, nhiu s kin xy ra trong thi gian
cc k ngn hoc các chuyển đng vi tốc độ rt cao chúng ta không th quan sát
được bng mt thưng.
Trước đây, phương pháp cổ điển là dùng mt máy quay phim ghi li các hình nh
đó phát chm lại đ quan sát phân tích. Tuy nhiên, các máy quay phim thông
thưng ch đạt tốc độ 24 hình/giây (h PAL) hoc 30 hình/giay (h NSTC) do đó
không th ghi lại được các chuyển động tốc đ cao b sót rt nhiu các hình nh, s
kin quan trng.
T thc tế đó, h thng Camera tốc độ cao được nghiên cu, phát triển để có th
ghi li các s kin hay các chuyển động vi tốc độ cao và phát li tốc độ chậm để quan
sát cũng như phân tích t m các chuyển động và các vấn đề liên quan khác.
Hin nay, h thng camera tốc độ cao đang đưc ng dng rng rãi trong nhiu
ngành công nghip sn xut cũng như trong các lĩnh vực nghiên cu khoa hc.
2. ng dng ca camera tc đ cao
Hin nay h thng camera tốc độ cao đưc ng dng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau, điển hình như:
- Chẩn đoán và phát hin sm các s c hng hóc máy móc.
- Điu chnh và giám sát các dây chuyn sn xut có tốc độ cao như in ấn, đóng
gói, v..v.
12
- Nghiên cứu cơ sinh hc, hóa hc, vt lý, v..v.
- Nghiên cu phân tích quá trình cháy nổ, rơi vỡ, đứt gy, va chm, phân
tích qu đạo v..v.
- Nghiên cứu đạn đạo, tên la, thuc n v..v.
- Phân tích các chuyển động cao bên trong nhng ch mắt thường không nhìn
thấy được như vòi phun nhiên liệu, buồng đt ca động cơ, tuabin v..v.
- Nghiên cu và phân tích chuyển động ca các dòng cht lng.
- Nghiên cu và phân tích các quá trình phun ph, mi hàn.
- Nghiên cu và phân tích qu đạo chuyển động
Chính vy c gi nhóm nghiên cứu dưới s hướng dn của giáo T. G.
Etoh và TS. Nguyễn Hoàng Dũng đã chọn đề tài Nghiên cu các h thng cm biến cho
camera tc đ cao.
Mục đích của đề tài là xây dng h thng cm biến nhn biết s kin xy ra trong
thi gian rt ngắn và đồng b vi vic bt hình của camera. Định nghĩa, nghiên cứu cu
trúc, phân loi và cách thc hot đng ca các cm biến, t đó đề xut thiết kế h thng
cm biến phát hin s kiên tốc độ cao và mt s kết qu mô phỏng đi kèm.
13
Ni dung của đề tài và các vấn đề cn gii quyết được chia ra thành các phần như
sau:
- Chương 1: Công nghệ CMOS CCD. Trong chương này tác gi s đề cp
đến khái niệm cũng như phân loi các loi cm biến hình ảnh. Sau đó sẽ đi sâu vào tìm
hiu cu trúc và ưu nhưc đim ca tng loi cm biến dòng CCD hoc là CMOS.
- Chương 2: Cm biến CCD cho camera tốc độ cao ISIS CCD. chương hai,
tác gi s tp trung toàn b vào nghiên cu cu trúc ca ISIS-CCD. T đó thể đánh
giá được ISIS-v16 video camera phiên bản đu tiên v hiu sut của chip CCD tương
ng.
- Chương 3: Thiết kế h thng cm biến phát hin s kin tốc độ cao và đồng
b bt hình vi ISIS-V16 camera. Trong chương này tác giả cùng vi nhóm nghiên cu
s đề xut thiết kế h thng cm biến phát hin s kiên tốc độ cao mt s kết qu
phỏng đi kèm. Đáng tiếc nht do thi gian hn nên nhóm nghiên cứu chưa th
chuyn th thiết kế ra thành sn phm chế tạo để có th đánh giá, đo lường kết qu thc
tế khi so sánh vi kết qu mô phng.
Lun văn đưc thc hiện dưới s định hướng hướng dn ca TS. Nguyn
Hoàng Dũng, phối hp cùng vi nhóm gm các bn Mai Xuân Hòa và Tào Tun Mnh-
sinh viên K56, Vin Điện t - Viễn thông, Đại hc Bách khoa Hà Ni thc hin.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô thuc Viện Điện t - Viễn thông đã giúp
đỡ em hoàn thành luận văn.
14
CHƯƠNG 1. CÔNG NGH CMOS VÀ CCD
Trong chương y tác giả trình y v định nghĩa và phân loại các cm biến hình
nh. Các loi cm biến hình ảnh như CMOS CCD cũng sẽ được đề cp c th
s so sánh đ thy được ưu nhược đim ca tng loi này.
I. Cảm biến hình ảnh
1.1 Định nghĩa
Khi một hình ảnh được chụp bởi một camera , ánh sáng đi qua ng kính rơi
vào cảm biến hình ảnh. Các cảm biến hình ảnh bao gồm các yếu tố hình ảnh, cũng gọi là
điểm ảnh, các hạt photon của ánh sáng rơi vào cảm biến. Chúng chuyển đổi tín hiệu nhận
được ánh sáng vào một số electron tương ng. Cường độ ánh sáng càng mạnh, các
electron được tạo ra nhiều hơn. Các electron được chuyển đổi thành điện áp sau đó
chuyển sang số qua bộ chuyển đổi ADC. Các tín hiệu số được xử lý bằng các mạch điện
tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban đầu đã chụp.
Hình 1. Chip CMOS và CCD trong thc tế
15
Cm biến hình nh là mt thiết b phn cng nh, có kh năng thu nhận ánh sáng
chuyển đổi các photon thu nhận được thành các tín hiu s phc hi li hình nh
ban đầu trên các thiết b điện t. Hiện nay, có hai công nghệ chính thể được sử
dụng cho các bộ cảm biến hình ảnh trong một y ảnh CCD (Charge-coupled Device)
và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor).
CCD là mt trong nhng công ngh lâu đời nht trên máy nh s, vi cht lưng
nh chụp t tri so vi CMOS nh di tn nhy sáng kim soát nhiu tốt hơn.
Hin nay, CCD vẫn được s dng nhiu trong các mu máy nh du lch giá r, song quá
trình lp ráp khó khăn và điện năng tiêu th quá nhiu của CCD đã dẫn ti s thng tr
ca CMOS.
Trong lịch sử, cảm biến CMOS luôn được cho chất lượng ảnh chụp thấp n
so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS
hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD. Với nhiều
tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, cần
ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD.
1.2 Kiến trúc cm biến thu thp hình nh
Đây là b cm biến ánh sáng nm trong máy nh k thut s có tác dng chuyn
ánh sáng thu nhn t môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện. CCD (Charged Couple
Device ) bao gm hàng triu tế bào quang điện, mi tế bào có tác dng thu nhn thông
tin v từng điểm nh (pixel )
Để có th thu đưc màu sc máy nh k thut s s dng b lc màu (color filter
) trên mi tế bào quang điện. Các tín hiệu điện t thu đưc trên mi tế bào quang điện
s được chuyển đổi thành tín hiu k thut s nh b chuyển đổi ADC (Analog to digital
converter). Vào thời điểm hin ti hai loi b cm biến ánh sáng: CCD (Charged
Couple Device) và CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor)