线阵CCD实验指导书Word文件下载.docx

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2160像元

像敏单元大小：

14µ

m×

14µ

m（相邻像元中心距为14µ

m）

光敏区域：

采用高灵敏度PN结作为光敏单元

时钟：

二相（5V）

内部电路：

包含采样保持电路，输出预放大电路

封装形式：

22脚DIP封装

6、光源：

LED高亮度平板面光源，有效发光面积60mm×

60mm

7、镜头：

50MM1:

1.8

8、操作软件：

容MicrosoftWindows98、Windows2000、WindowsXP

第二章实验指南

实验规则及注意事项

为了确保线阵CCD原理及应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守以下实验规则及注意事项。

1、在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。

明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。

2、实验进行过程中，必须严格按照指导老师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能损坏实验仪，造成不必要的严重后果。

3、要爱护实验仪器和示波器等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与本实验仪进行连接。

4、所有与本实验仪相关的线缆必须在断电的情况下正确连接好，严禁带电插拔所有电缆线。

5、实验要集中精力，认真实验。

遇到问题时应找指导老师解决，不得自作主张。

6、一旦发生意外事故或者实验现象出现异常时，应立即切断电源，并如实向指导老师汇报情况。

待故障排除之后方可继续进行实验。

7、在进行CCD实验过程中，不允许带电插拔CCD器件，否则会造成CCD器件损坏。

8、不允许用带电的烙铁焊接任何与CCD有电气连接的导线、元器件。

必须焊接时，应将烙铁的电源拔下来，利用烙铁的余热焊接，或者将CCD芯片拔下来后再焊接。

实验

（一）CCD驱动实验

一、实验目的

1、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动器各路脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法。

2、通过测量CCD驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵CCD的基本工作原理。

3、通过测量典型线阵CCD的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，掌握CCD的基本特征。

二、实验内容

1、CCD驱动频率观测；

2、积分时间测量。

三、实验仪器

1、双踪同步示波器（20MHz以上）1台

2、CCD原理应用实验箱1台

四、实验原理

线阵CCD像传感器具有结构精细、体积小、工作电压低、噪声低、响应度高等优点，被广泛运用于运动图像传感、机械量非接触检测、图像数据自动获取等多领域。

线阵CCD像传感器是利用CCD所具有的光电转换和移位存储功能进行图像传感和信息处理。

利用光电转换功能CCD将入射到CCD摄像区的光信号转换为与之强度相对应的电荷包的空间分布，然后利用CCD的移位存储功能将这些大小不一的电荷包“自扫描”到同一输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列，经过处理便可还原成原来的光学图像。

TCD1200D的外形与管脚分布

图1-1TCD1200D的外形和管脚

1.1TCD1200D的外形与管脚分布如图1-1所示

1.2TCD1200D的管脚定义如表1-1所示

表1-1TCD1200D管脚定义

管脚

符号

功能

6

Φ1

时钟1

1

OS

信号输出

19

Φ2

时钟2

2

DOS

补偿输出

21

SH

转移栅

3

OD

电源

4

RS

复位栅

22

SS

地

2.TCD1200D的基本工作原理与工作时序图

2.1TCD1200D的基本工作原理如图1-2所示

在CCD两侧的模拟转移寄存器，是由一系列MOS电容组成。

它们对光不敏感，只是接受摄像区转移来的电荷包，把他们逐个移位到输出机构中，最后传输到器件外面。

摄像区MOS电容在光照下获得光生载流子形成电荷包。

在电荷包转移期间，按奇偶序号分开，分别转移到两侧的移位寄存器中。

两个移位寄存器都有两相电极φ1、φ2与外电路相连。

当外电路对φ1、φ2提供适当的驱动脉冲时，移位寄存器中的电荷包就由右向左移位。

在结构安排上已经保证两寄存器中的电荷包以奇偶序号交替的方式把电荷包送到输出机构，以恢复摄像时的时序。

两相CCD电荷包转移原理如图1-3所示，通过控制电极SH、φ1、φ2的电位高低来改变势井的深度，从而使电荷包在势井中转移。

图1-3两相CCD电荷包转移原理

积分时间

2.2TCD1200D的工作时序图如图1-4所示

图1-4TCD1200D工作时序图

SH为电荷转移控制电极。

SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，MOS电容对光生电子进行积累；

SH为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移位寄存器中，时间很短，所以SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。

在这一个周期里，两侧的移位寄存器在φ1、φ2驱动脉冲的作用下把上一次转移来的电荷包逐个依次输出到器件外。

因此SH的信号周期必须大于2048/2个φ1、φ2脉冲周期，否则电荷包不能全部输出，这样就会影响下个周期输出信号的精确度。

两侧移位寄存器中，每当φ1高电平时就输出一个电荷包，在结构上使两侧φ1电极轮流出现高电平，所以φ1、φ2脉冲一个周期内输出两个电荷包。

这样复位脉冲也应出现两次，所以RS脉冲频率为φ1、φ2脉冲频率的两倍。

五、实验步骤

注意：

使用多踪示波器检测信号时，示波器与CCD原理应用实验箱应共地。

打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，观察积分时间显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按红色按钮依次由01230），用频率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由01230）。

然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查CCD驱动器的各路脉冲波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。

如符合，则继续进行以下实验；

否则，应请指导教师进行检查。

实验1.1驱动频率观测

1、打开示波器的电源开关，将CH1和CH2的扫描线调至适当位置，将示波器同步选择器开关调至CH1位置（用CH1做同步信号）。

打开CCD原理与应用实验箱的电源开关。

2、用CH1探头测试转移脉冲ΦSH，并调节使之同步，使ΦSH脉宽适当以便于观测。

3、用探头CH2分别测试Φ1、Φ2等信号。

观察各信号的相位是否符合图1-4所示的波形（特别要注意各信号之间的相位关系）。

4、用探头CH1测试Φ1并使之同步。

用CH2分别测试Φ2、ΦR等信号。

看其是否符合图1-4所示的波形。

5、驱动频率的测量：

分别测出Φ1、Φ2、ΦR的周期、频率、幅度，填入表1-2中。

改变频率选择开关，再测出Φ1、Φ2、ΦR周期、频率、幅度，也填入表1-2。

6、关机结束。

关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。

表1-2

驱动频率

项目

ΦR

0档

周期（ms）

频率（Hz）

幅度（V）

1档

2档

3档

实验1.2积分时间的测量

1、将频率设为0（档），积分时间设为0（档），用CH1观测SH脉冲周期，并将ΦSH的周期（即积分时间），填入表1-3中。

改变积分时间的档位，分别测出不同档位下的积分时间。

2、再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间，填入表1-3中。

3、关机结束。

表1-3

驱动频率0档

驱动频率1档

驱动频率2档

驱动频率3档

积分时间（档）

SH周期（ms）

六、实验思考题

1、说明TCD1200D的基本工作原理。

2、在本实验中，CCD驱动信号频率取多少为好？

高些或低些会影响什么？

太高或太低又会如何？

实验

（二）CCD特性测试实验

通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握CCD的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响。

1、不同驱动频率与不同光强下测量物体的变化；

2、不同积分时间与不同光强下测量物体的变化。

四、实验步骤

实验2.1不同频率与不同光强下测量物体的变化

1、将不透光的被测物体放置到CCD上面，打开实验仪的电源开关。

将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于0档，用CH1探头测量ΦSH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，观测ΦSH与Uo的关系，并画出其波形图.

2、改变CCD像敏元的照度，观察输出信号U0的波形变化。

画出当光强变化时输出信号U0波形图。

3、积分时间不变化，改变驱动频率完成1,2步骤的实验内容。

4、分析上述实验现象，并说明驱动频率与输出信号的变化关系。

实验2.2不同积分时间与不同光强下测量物体的变化

将驱动频率开关置于0档，积分时间开关置于0档，用CH1探头测量ΦSH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，观测ΦSH与Uo的关系，并画出其波形图.

3、驱动频率不变化，改变积分时间完成1,2步骤的实验内容。

4、分析上述实验现象，并说明积分时间与输出信号的变化关系。

5、关机结束。

实验（三）CCD输出信号的二值化处理实验

一、实验目的

通过该实验，进一步掌握CCD的基本特性，定性了解CCD进行物体测量的方法。

二、实验内容

分析并比较二值化前后信号改变。

三、实验仪器

1、CCD原理应用实验箱

2、双踪同步示波器

四、实验原理

在CCD输出信号中涵盖了线阵CCD各像元的照度分布和像元位置信号，这在测量物体位置中显得非常重要。

当将不透明物体放置到CCD上后，我们观测到U0的输出信号如图3.1所示。

为了将物体的边界检测并描述出来，可以采用如图3.2所示的阈值法检测电路。

在该电路中，电压比较器的“+”输入端接CCD输出信号U0，而其另一端接电位可以调整的电位器上，这样便构成了可调阈值电平的固定阈值二值化电路。

五、实验步骤

1、打开CCD原理应用实验箱电源，将示波器CH1探头接CCD输出信号U0（用CH1作同步信号），CH2探头接硬件二值化后的信号U1，比较两路信号。

2、调节阈值调节电位器，观察二值化后的CCD信号的变化情况。

实验（四）线阵CCD输出信号数据采集

1、掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理；

2、进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系；

3、进一步掌握线阵CCD驱动频率与光照灵敏度的关系；

4、掌握本实验仪配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能

1、进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验；

2、进行线阵CCD的A/D数据采集系统软件的基本操作（软件工作参数的设置、CCD工作参数的设置等）；

3、进行线阵CCD的A/D数据采集系统数据文件的存储、打开、读出等的操作。

1.CCD原理应用实验箱

2.双踪同步示波器

四、

实验原理

线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍实验仪所采用的8位并行接口方式的数据采集基本工作原理。

如图4-1所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统。

以单片机完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。

计算机软件通过向端口发送控制指令对单片机复位。

单片机等待SH上升沿（对应于CCD第一个有效输出信号）触发AD开始工作，AD器件则通过RS信号完成对每个像元的同步采样，A/D转换输出的8位数字信号则存储在静态缓存器件（IDT72241）中，当一帧像元的数据转换完成后，单片机（U29）会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器和存储器的工作。

单片机（U30）将此帧像元的数据进行处理，并通过USB接口芯片将采集信号送给计算机软件进行相关显示处理。

当软件读取并处理完一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。

1、首先将实验箱的USB端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接良好；

2、打开计算机电源，完成系统启动后进入下面的操作；

3、打开实验箱主电源开关，用示波器测量Φ1、Φ2、RS、SH等各路驱动脉冲的波形是否正确。

如果与实验一所示的波形相符，继续进行下面实验；

否则，应请指导教师检查；

4、检查UO、UI波形是否与实验二、实验三一致。

5、运行CCD应用软件，如果显示打开设备失败，应请指导教师检查；

如正常连接，计算机任务栏右下角会有图标显示。

软件界面如图4.2：

图4.2软件主界面

选择开始绘图开始数据采集。

主窗口观察数据采集波形，上面为二值化的波形，下面为CCD输出信号波形。

鼠标双击波形指定位置，将放大显示双击位置的象素幅值大小，每个页面显示50个象素，可以通过点击右上角分别指示左右的小三角符号显示相邻页面的象素。

通过点击还原显示回到波形显示界面。

主界面右上角CCD线径测量下面显示物体宽度（即二值化后中间高电平部分宽度）。

点击阈值设定，可以对CCD输出信号进行软件二值化处理。

阈值设定数值范围为：

0～256，对应阈值电压为：

0～4V（界面右上角显示对应阈值电压）。

点击保存可以保存波形图像到指定位置。

6、实验完成后，关闭实验仪。