AD9979 芯片的原理框图如图16-13 所示。在功能上，AD9979 可以视作由模拟前端和可编程时钟驱动两部分结合而成。模拟前端部分包含了相关双采样(Correlated Double Sampler，CDS)，放大(Variable Gain Amplifier，VGA)，65MSPS 采样率的14 位模/数转换器等功能。可编程时钟驱动部分提供水平驱动H1、H2、H3、H4，复位栅驱动RG，以及HL 信号(CCD Last Horizontal Clock，本设计选用的CCD 芯片不需要使用该驱动)。
图16-13 AD9979 芯片的原理框图
1.模拟前端
模拟前端从功能划分上属于图像信息获取前端的图像预处理系统。CCD 图像传感器的输出信号为三阶梯型的模拟信号，该信号中包含了较大的噪声，其直流偏置电压较高但有效信号较为微弱。AD9979 的模拟前端部分的作用，就是将对该信号进行图像预处理，转换为数字信号处理系统能够处理的数字图像数据。
不同型号的CCD 芯片输出信号的直流偏置电压各不相同，但一般电压值都较高，有的可以达到10 V 以上。该输入信号无法被AD9979 芯片直接处理，甚至会损坏芯片的内部结构，因此需要对信号进行DC 恢复。CCD 输出信号先通过串联0.1 μF 电容滤除直流偏压，然后通过AD9979 芯片内部的DC 恢复电路，将直流偏压恢复到1.2 V，便于后端进行相关双采样。在AD9979 芯片内部的DC 恢复电路中，开关S1、S2、S3 由芯片内部的PBLK 和SHP 信号控制。AD9979 芯片的直流恢复原理如图16-14 所示。
图16-14 AD9979 芯片的直流恢复原理
经过DC 恢复后，信号在芯片内进行相关双采样。所谓相关双采样，是指CDS 电路对每个CCD 像素的信号进行两次采样，以得到准确的图像信息并滤除低频噪声。CCD 输出的三阶梯型信号，可以分为耦合部、参照部和数据部三部分，如图16-15 所示。其中耦合部的高电平脉冲是CCD 图像传感器中ΦRG 复位栅驱动信号与输出信号耦合而形成，不包含图像信息。参照部的电压由基准电压与复位噪声决定，而数据部的电压由基准电压、复位噪声和信号电荷电压决定。
图16-15 CCD 芯片三阶梯型输出信号
所谓复位噪声，又称FD 复位噪声，是CCD 图像传感器进行采样时，因开关介入电容而产生的噪声，该噪声可由式计算：
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式中，Vn为噪声电压；In为噪声电流；k 为玻耳兹曼常数；T 为绝对温度；C 为电容。
复位噪声虽然无法避免，但通过相关双采样可以消除。AD9979 芯片通过参照部采样脉冲SHP 的定位采集参照部的电压VSHP，通过数据部采样脉冲SHD 的定位采样数据部的电压VSHD。由于以上两种电压中都包含了相同的复位噪声，因此两次采样电压相减，即可得到信号电荷电压VS。采样脉冲SHP 和SHD 的采样时序由AD9979 上的寄存器SHPLOC 和SHDLOC 配置。对于单CCD 输出信号的相关双采样，只需将信号接入AD9979 芯片的CCDINP 引脚，而将CCDINM 引脚接地即可，如图16-16 所示。
图16-16 相关双采样
信号电荷电压VS 中实际上还包含了残留偏置电压Vd。在CCD 图像传感器中每行和每列的前若干个像素是不进行感光的暗像元，但因为残留偏置电压Vd的存在，此时的相关双采样输出结果并不为零。AD9979 芯片采用黑电平钳位的方法来消除残留偏置电压干扰。其原理是通过芯片内寄存器的配置而人为设置一个黑电平标准。将像素为暗像元时的A/D转换器的数字输出与该黑电平标准相减，从而得到数字误差值。该误差值经过芯片内部的D/A 转换器转换为模拟误差值。处理正常感光的像素时，在信号进入A/D 转换器进行A/D 转换前，利用之前得到的模拟误差值对信号进行修正，达到消除残留偏置电压干扰的目的。
相关双采样得到的模拟输出在可调增益放大器(VGA)中进行放大，使输出信号的变化范围更有效地契合后端A/D 转换器的输入范围，以得到较好的数字图像信号输出。VGA放大器增益的幅值由AD9979 芯片中的10 bit 寄存器VGAGAIN 决定，通过外部串口配置该寄存器，可以使VGA 增益在6 ～42dB 变化，增益的计算公式为
式中，Gain 为放大器的VGA 增益；Code 为10 位寄存器VGAGAIN 的值，其数值范围为0 ～1 023。
经过可调增益放大器的处理，信号电压的幅值被调整为输入A/D 转换器所需的2 V 电压范围内，经过A/D 转换器转换为14 位数字输出信号。AD9979 芯片中的A/D 转换器具有频率高、功耗小的特点，采样频率最高可达65 M，芯片总功耗最高值在200 mW 左右。芯片的微分非线性误差(Differential Nonlinearity，DNL)的典型值为0.5LSB，具有较好的A/D转化性能。
经过以上相关双采样、VGA 放大、A/D 转换等过程，AD9979 芯片将CCD 图像传感器的输出信号转换为数字图像数据信号，实现了CCD 图像信息获取前端的图像预处理功能。
电路供电电源的滤波去耦电容的布置应当靠近AD9979 芯片，否则会影响电容对电源电压的滤除干扰和稳压效果。电源线宽度应当加粗，至少在15 mil 以上。采用多点接地的方法，减少接地阻抗并改善信号回流路径，改善电源和地平面上的干扰。尽管模块电路中的模拟地和数字地需要连接在同一地平面，但在GND 层将控制模块电路的地与供电电压接口的地分离并以0 Ω 电阻连接以减少干扰。在Power 层通过电层分割，达到减短走线和减少阻抗、改善电压性能的目的。分割电层和底层的分割线线宽应在20 mil 以上，以保证良好的分割性能。AD9979 PCB 板的实物如图16-17 所示。
图16-17 AD9979 PCB 板的实物
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