《14年北航仪器光电综合实验 彩色线阵CCD驱动电路设计》报告.docx

《14年北航仪器光电综合实验 彩色线阵CCD驱动电路设计》报告.docx

《《14年北航仪器光电综合实验 彩色线阵CCD驱动电路设计》报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《14年北航仪器光电综合实验 彩色线阵CCD驱动电路设计》报告.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《14年北航仪器光电综合实验彩色线阵CCD驱动电路设计》报告

姓名：

xx班级1117xx学号：

1117xxxx

第一部分彩色线阵CCD传感器实验报告

（说明：

本部分内容根据实验指导书和实验结果填写，格式自己设计。

可填写实验结果及回答思考题）

实验一

1.驱动脉冲相位的测量

SH与F1、F2的相位关系

观察发现F1、F2高低电平相反。

F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系

F1、F2高低电平相反，相位相差180°。

F1比RS相位超前90°。

F1比CP相位超前120°。

F1比SP相位超前大约60°。

CP与RS、SP信号之间的相位关系

CP比RS相位超前90°。

CP比SP滞后90°。

2.驱动频率和积分时间测量

表1驱动频率与周期

驱动频率

项目

F1

F2

RS

0档

周期（μs）

8

8

4

频率（KHz）

125

125

250

1档

周期（μs）

16

16

8

频率（KHz）

62.5

62.5

125

2档

周期（μs）

32

32

16

频率（KHz）

31.25

31.25

62.5

3档

周期（μs）

64

64

32

频率（KHz）

15.62

15.62

31.25

表2积分时间的测量

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）

FC周期

（ms）

积分时间

（档）

FC周期

（ms）

积分时间

（档）

FC周期

（ms）

积分时间

（档）

FC周期

（ms）

00

11.78

00

23.56

00

47.12

00

94.2

01

12.80

01

25.60

01

51.20

01

102.4

02

13.82

02

27.64

02

55.28

02

110.6

03

14.84

03

29.68

03

59.40

03

118.8

04

15.87

04

31.72

04

63.48

04

127

05

16.89

05

33.76

05

67.60

05

135.1

06

17.92

06

35.84

06

71.68

06

143.4

07

18.94

07

37.88

07

75.80

07

151.5

08

19.97

08

39.92

08

79.84

08

159.7

09

20.99

09

42

09

84

09

168

3.CCD输出信号的测量

打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。

观察UG输出变化。

光圈变大，UG的幅值增大，周期增大，占空比增大。

保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。

积分时间增加，电压信号的幅值增大，周期增大。

进一步增加积分时间则电压幅值不变，周期继续增大，但高电平宽度不变，总周期增大，占空比减小。

思考及设计

1、写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

线阵CCD由光电二极管阵列组成的光敏区，转移栅，CCD模拟移位寄存器，以及其它一些控制电路组成。

对于光敏区来说，是由光电二极管阵列构成，它们可以把入射在其上的光能转化为电能（确切的说是电荷包），转化出的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的光强和积分时间有关系的，因此电荷量的多少就反映了原图像的信息。

同时光敏区必须把所形成的电荷进行转移，以便于变成便于利用的电压信号而且只有及时地把电荷转移走才能使得CCD芯片能连续工作。

当然转移栅的功能就是实现把光敏区产生的电荷进行转移，要使电荷转移快速准确的进行，就必须用外界电路产生相应的波形（电压）进行控制，因此设计CCD的驱动电路就成为能使器件正常工作的重要环节。

在转移栅把光敏区的产生的信号电荷转移到CCD模拟移位寄存器的同时，光敏区又开始工作进行新一轮的转换。

CCD模拟移位寄存器则把转移过来的电荷保存并向外（计算机）传输。

2、说明SH，SP，RS，CP四个脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。

SP：

与像元同步，像敏单元采样脉冲，用作采样控制信号；

CP：

缓冲控制脉冲（箝位栅）；

SH：

完成将光敏区信号电荷向模拟移位寄存器中转移，在光积分期间，起到隔离作用；

RS：

当转移栅把信号电荷转移到移位寄存器中后，移位寄存器要一位一位输出电荷，为了不使得输出混乱，RS电极需要外加适当的复位脉冲，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包尚未输出之前，RS电极上应出现复位脉冲，它把前一电荷包抽走，以准备接受下一电荷包到来。

输出信号与F1、F2周期相同。

3、解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。

在同样光源亮度下，由于组成光颜色成分可能有所差异，会使得传感器测得的信号幅度有所差异；对R、G、B传感像元，即使输入光强相同，不同颜色像元见光强特性也会有所差别，由此也会带来量化结果的不同。

实验二

表3输出信号幅度与积分时间的关系

驱动频率0档

输出信号Uo

驱动频率1档

输出信号Uo

积分时间

（档）

FC周期

（ms）

输出幅度

（VH）

输出幅度

（VL）

积分时间

（档）

FC周期

（ms）

输出幅度

（VH）

输出幅度

（VL）

00

11.78

3.48

0

00

23.56

4.8

0

02

13.83

4.4

0

02

27.66

4.8

0

04

15.87

4.76

0

04

31.76

4.8

0

06

17.92

4.76

0

06

35.84

4.8

0

08

19.97

4.76

0

08

39.94

4.8

0

10

22.02

4.76

0

10

44.04

4.8

0

驱动频率2档

输出信号Uo

驱动频率3档

输出信号Uo

00

47.10

4.8

0

00

94.2

4.8

0

02

55.30

4.8

0

02

110.6

4.8

0

04

63.50

4.8

0

04

127.0

4.8

0

06

71.70

4.8

0

06

143.4

4.8

0

08

79.9

4.8

0

08

159.7

4.8

0

10

88.1

4.8

0

10

176.1

4.8

0

思考及设计

1、解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？

积分时间在宏观上表现即为SH信号的周期，该功能通过转移栅完成，而转移栅需要依靠外界驱动电路波形进行控制。

驱动频率越低，Ø的周期就越大，则两个SH之间的时间就越长，即积分时间越长。

2、解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？

这对CCD的应用有何指导意义？

进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？

为什么？

这对CCD的应用又有何指导意义？

因为输出信号是由光敏区感受光并将光能转换为电能得到的，转化出的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的光强和积分时间有关系的。

因此，积分时间的变化会对输出信号产生影响。

指导意义：

通过改变CCD的积分，积累电荷量，用以反映原图像的信息；进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度不会再发生变化。

因为积分时间增加到一定程度以后，积累的电荷量达到饱和，因此输出信号的宽度不再发生变化。

实验三

思考及设计

1、解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。

阈值电压是一个参考量，高于阈值电压的称为高电平，否则为低。

不同的阈值会导致同一电压的高低电平划分不一样，所以会导致结果有差异。

2、说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。

优点：

测量计数电路简单，不需要复杂的处理电路甚至计算机，由此构成的系统结构简单，处理快捷，成本低廉； 

缺点：

使用范围小，精度较低（受使用环境影响较大），不能完全发挥CCD的功能； 

使用领域：

测量颜色种类较少、色彩相对单一的目标，成本限制较多，对测量结果要求一般的系统。

3、积分时间的变化是否对测量值有影响？

在什么时候会有影响？

为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

积分时间对测量结果有影响；当积分时间逐渐增大时，会造成会造成各个位置（象素点）测量电压逐渐增大，当一些点到达阈值时，其它点与这些点的电压差逐渐减小，并最终全部达到饱和状态，对测量的灵明度及最终测量结果都回造成很大影响。

如某几个位置测得结果到达饱和区，则会对这几个信号的峰值造成限制，使之产生失真，同时使得测得电压差小于不同位置间实际电压差。

实验四

思考及设计

1、写出实验总结报告，总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而幅度增大。

如果光照强度相同，CCD输出信号的幅度会随着积分时间和光照灵敏度的增加而增大。

能验证。

2、能否用这个实验检测CCD光敏单元的不均匀性？

如果能，该如何设计这个实验？

能。

利用F片上的斜条纹，由于F片其中有一条条文是倾斜的，故考虑到CCD像元表面R，G，B三色的结构，可以对F片进行数据采集，分析在倾斜部分象素点与幅度的变化规律，特别是横纵轴变化的曲率，对比斜条纹，即可初步分析光敏单元分布的不均匀性。

3、用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？

若能，该如何设计这个实验？

能， CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体振动等的测量。

被测物A置于成像物镜的物方视场中，线阵CCD像敏面安装在成像物镜的最佳像面位置。

均匀的背景光使被测物A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上。

在像面位置可得到黑白分明的光强分布。

CCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的信息，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的像转换为时序电压信号（输出波形）。

根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸设光学放大倍率为β，则可以用下面公式计算物体A的实际尺寸D为 D’/β= D。

 显然，只要求出D’，就不难测出物体A的实际尺寸D。

4、试将片夹“F”插入片夹夹具中，线阵CCD输出的波形会怎样？

片夹“F”为对比度很好的黑白条，经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？

“变形”产生的主要原因是什么？

能否利用“变形”的输出波形进行黑白条尺寸的测量？

黑白条图像的真实边界的数值有什么特点？

CCD波形主要有两个“凹陷”，其中第一个凹陷边缘的三色线基本重合，垂直度较好，但劣于第一个凹陷；第二个凹陷三色线在接近边缘处不重合，且呈递增状，从上到下依次为：

R，G，B；同时，边缘处垂直度较好。

“变形”现象主要源于F片的一条缝呈倾斜状态，同时CCD上R，G，B三色分布为三条平行直线； 可以利用输出波形进行尺寸测量，但测量时应考虑因为实际图形倾斜造成波形变形所带来的斜率。

5、5、你能列举出利用本实验进行其它目的的实验吗？

倾斜缝黑白屏的斜率测量。

第二部分彩色线阵CCD传感器驱动电路设计报告

1.总体设计思路：

通过仔细观察TCD2252D的时序图可以得知，整个驱动分为光电荷转移阶段和光电荷积累阶段，因此，对驱动电路的设计可以拆分为中间部分和两端部分的设计。

通过观察还可以得出SP、RS、CP几路信号只是简单的延迟关系。

Φ2可以通过Φ1取反得到。

当SH为高电平时，其它几个驱动信号也需要做出相应的改变。

2.完整电路图：

3.用Multisim仿真调试结果：

在理想仿真模式下屏幕截图：

（1）光生电荷转移阶段（两端部分）

第一幅图：

SH，Φ1，SP，RS

第二幅图：

Φ2，SP，RS，CP

第三幅图：

SH，SP，RS，CP

（2）光生电荷积累阶段（中间部分）

第一幅图：

Φ1，Φ2，RS，CP

第二幅图：

Φ1，SP，RS，CP

4.参数测量结果（单位:

ns）：

特性描述

符号

最小值

典型值

最大值

理想模式仿真

测量值

SH与Ø1A脉冲间隔

t1

110

1000

1000

t5

200

1000

1000

SH脉冲宽度

t3

1000

2000

2000

脉冲宽度

t9

45

100

100

脉冲宽度

t12

30

100

100

Ø1B，Ø2B与

脉冲时间

t14

20

40

40

与

脉冲时间

t15

60

80

80

脉冲宽度

t17

45

100

100

与

脉冲时间

t19

0

20

100

80

SH与

脉冲时间

t22

0

500

500

5.设计体会与感想：

本次CCD硬件驱动电路设计，主要参照已有的驱动电路设计图给出，并通过模拟和仿真给出实验结果。

对实验电路设计的理解，主要依靠查阅电路芯片参数，并结合具体电路功能，进行学习。

由于时间有限，不能对驱动电路原理进行充分的理解和解释，只能结合一些对CCD运行情况的比对和驱动电路所用芯片功能的了解，初步解释相应电路的功能和驱动方法。

在理论学习中，我们的课程《光电子技术》、《光电成像原理》等都对CCD原理、时序和驱动作了很详细的说明，结合CCD整个实验，我可以对我课上所学的知识有很好的时间和巩固，通过实验和理论多方面的学习，我对CCD的原理、实现等方面都有了很好的认识和理解