图像信号处理芯片AK8408的原理及应用

AK8408是日本旭化成(株)研制的新一代专用于处理CCD、CIS等彩色/黑白图像传感器输出信号的专用芯片。它将图像传感器输出的模拟信号转换成数字信号输出给用户。同时，根据用户自己的设置，可以将图像传感器的明输出偏差值与暗输出偏差值进行先期处理。

主要性能介绍

AK8408是CMOS单片结构，5V单一电源(5V±5%)，内置基准电压电路，100PIN LQFP的封装形式。主要性能包括：

彩色传感器用寄生信号补偿LSI

对应1CH、G/R/B3CH输出的传感器，产生传感器用的CLK、最大输入电平1.25VP-P。

输入图像信号数据的速度：1CH时,10M像素/秒；3CH时，3.3M3像素/秒。

可对应最大像素数是81923(可以8像素为1个单位设定)。

内置图像信号转换用10位ADC和两个8位DAC设定暗/明基准电压

内置检测全像素明电平补偿值的用ADC和补偿用模拟除法器。

内置3CH的偏差检测/补偿用的ADC/DAC。

3CH增益调整用PGA(8位、1倍～4倍)、内置增益调整功能。

LED点灯时间调整功能，内置峰值检测/保持电路(8位)。

串行接口。

CLK：1.5MHZ～10MHZ。

内部功能电路说明

1.基准电压生成电路：

将电源电压用电阻分压，生成基准钳位电压VCLP=2.1V。

使用基准电压电路，生成明电平侧基准电压VREF=0.85V。

2.传感器信号输入电路：

输入信号是负逻辑(负向为输入信号的明电平方向)。

3个通道分别内置钳位电路和采样保持电路，可以通过设定寄存器来选定1个通道工作(10MHZ)或3个通道工作(3.3MHZ)。

由内置的模拟开关和外部的电容构成直流再生电路。

3.暗补偿值检测ADC/补偿电路：

将指定的像素或全像素的模拟输入信号与钳位电压的差值用8位AD转换器转换成数字信号，并作为补偿值。可以检测、补偿相对于钳位电压的正、负两个方向的暗偏差值。

补偿就是用模拟输入信号减去补偿值。补偿范围可以由寄存器来规定，一般是 50mV～ 200mV，用 50mV为一个单位变换。为了消除LSI初期的放大器的偏差信号(最大为25mV)，用寄存器可以设定可检测的动态量程在25mV的狭窄范围内。

暗补偿电路不能消除该电路以后的电路产生的偏差。为了消除它，可以适当调整被检测的偏差数据。调整用数据根据暗补偿值偏差调整用寄存器设定。

4.PGA电路：

增益调整电路的作用是使各通道的信号幅度保持同一水平。

暗补偿后的信号以VCLP为基准调整增益。根据PGA增益寄存器的设定，可在1～4倍内适当调整增益。

5.峰值检测/保持电路：

由逐次比较型8位ADC(峰值检测电路)和8位DAC(峰值保持电路)以及它们之间的数字电路构成。

峰值检测电路的输入信号，在峰值检测模式时成为暗补偿后的信号、在读取模式时成为暗/明补偿后的正规化信号。

6.明补偿值检测/补偿电路：

把用峰值检测模式检测的峰值电压(VPEAK)作为明电平侧基准、把VCLP的40%作为暗电平侧的基准。全像素范围内，把钳位电压与模拟输入信号的差值用9位ADC进行AD转换，并作为补偿值。

补偿就是把检测到的补偿值作为放大数据再进行模拟计算。

7.用于图像信号转换的10位ADC用的基准电压生成DAC(暗/明)：

内置产生相对于VCLP与VPEAK的相对电压的两个8位DAC，作为图像信号转换的10位ADC用的暗、明基准电压。

8.图像信号转换用的10位ADC：

内置把暗/明补偿后的模拟输入信号进行最后AD转换的10位ADC。

把基准电压生成DAC生成的基准电压(VWHT、VBLK)作为满量程进行10位AD转换。

9.暗偏差调整电路：

为了调整明电平检测/补偿电路前面的内部偏差值，要用暗补偿值对偏差进行计算。

10.ADC偏差调整电路：

为了调整明电平检测/补偿电路后面的内部偏差值，要在ADC输入端对偏差进行计算。

各种传感器及输入电路控制

MUX电路控制

在3CH彩色传感器中，彩色/黑白处理的区别，或者，前期处理时输入通道的设定等，根据通道使能寄存器来设定。

3CH彩色传感器(彩色处理)

1.采样速度最大为3.3M/sec，图像信号处理速度最大为10M/sec；

2.3CH同时采样，然后按照设定的采样顺序，切换MUX；

3.被采样的N 3个数据，如下图所示，相互交替排列成一线数据输入；
[3CH彩色传感器的输出](图1)
(例如：CN0对应GREEN、CN1对应RED、CN2对应BLUE的输入场合)
[3CH传感器彩色处理](图2)
(例如：采样顺序设定为CN0→CN1→CN2时)

1CH彩色传感器(彩色处理)

1.采样速度与图像处理速度相同，最大为10M/sec；

2.传感器输出信号从CN0输入，CN1、CN2开路；

3.随着每线输入信号颜色的变化，LSI内部的处理颜色也变化；

4.彩色处理顺序用采样顺序设定寄存器设定，GRB各色数据分别采样；
[1CH彩色传感器的输出](图3)
[1CH彩色传感器的处理](例如：采样顺序设定为G→R→B)(图4)

传感器通道切换模式(彩色处理)

1.采样速度与图像处理速度相同，最大为10M/sec；

2.切换每线采样通道，按照采样顺序的设定来切换MUX。与此相对应，LSI内部的处理颜色也变化；

3.彩色处理顺序用采样顺序设定寄存器设定，GRB各色数据分别采样；
[传感器通道切换模式时彩色传感器的输出]
(例如：采样顺序设定为G→R→B的输入场合)(图5)
[3CH传感器彩色处理]
例如:采样顺序设定为CN0-CN1-CN2时。(图6)

7种工作模式及内部寄存器

AK8408有地址是从00H到2AH的共计43个内部功能设定寄存器，它控制着AK8408的所有操作及七种基本工作模式。其中对通道的选择、操作过程基本如下：

通过AK8408的3位控制寄存器(R12/D2、R12/D1、R2/D0)，专门用于控制各个通道的使能/禁止。0：禁止；1：使能。使用传感器时，本寄存器的设定方法如下所示(以3CH彩色传感器为例)。

1.偏差校准模式1：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。实施本模式，一次仅能使能一个通道。

2.偏差校准模式2：与本寄存器无关，将通道全部使能。

3.检测暗补偿值：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。

4.增益调整：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。

5.峰值检测：与本寄存器无关，将通道全部使能。

6.检测明补偿值：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。

7.读取：将通道全部使能。