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实验11 线阵CCD输出分析

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。 1．TCD1200D的管脚分布如图1所示

图1 TCD1200D的管脚分布如图

2．TCD1200D的管脚定义如表7-1所示

表7-1 TCD1200D管脚定义

管脚 6 19

符号 Φ1 Φ2

功能 时钟1 时钟2

管脚 1 2

符号 OS DOS

功能 信号输出 补偿输出

21

4

SH RS NC 转移栅

复位栅 未连接 3 22 OD SS 电源 地

3. TCD1200D的基本工作原理与工作时序图

TCD1200D的基本工作原理如图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7.3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 3 两相CCD电荷包转移原理

4．TCD1200D的工作时序图如图4所示

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0?1?2?3?0），用频率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由0?1?2?3?0）。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。 （一） 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1-3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7-2。 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7-2

驱动频率

项目 周期（ms）

0档

频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms）

1档

频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms）

2档

频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms）

3档

频率（Hz）

Φ1

Φ2

ΦR

幅度（V）

(二) 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7-3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7-3中。 3、 关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。

表7-3

驱动频率0档 积分时

SH周期

驱动频率1档 积分时

SH周期

驱动频率2档 积分时

驱动频率3档

SH周期

SH周期积分时

间（档） （ms） 0 1 2 3

间（档） （ms） 0 1 2 3

间（档） （ms） 0 1 2 3

间（档） （ms） 0 1 2 3

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？

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第二篇：线阵CCD

线阵CCD：

是在要求视场大，图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵CCD替代。但是，仅有高的分辨率还不能保证有高的图像识别精度，特别是线阵CCD获取的图像虽然分辨率高，但由于受扫描运动精度的影响，其图像较面阵CCD图像更具特殊性。因此，图像识别时不仅要充分利用分辨率高的优势，还必须从算法上克服扫描运动的影响，使机械传动的误差不致直接影响最终的图像识别精度。

由于CCD像元是有间隔的，不论面阵还是线阵CCD获取的图像外观虽然是致密的，但实质上都是离散图像，但面阵CCD像元在纵横两个方向间隔一致，其图像的离散度是一致的，而线阵CCD图像由于存在像元间距和扫描行距，像素点在两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距，一般来说扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。

线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，在此过程中，线阵CCD在电机驱动下水平前移，按照固定的时间间隔采集一行图像。从理论上讲，电机运动速度应该是匀速的；CCD采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间，也应该是相等的，因此行距应该是相等的，但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度的变化，特别是机械传部分的误差都会影响采集行距的一致性，同时，线阵CCD 自身光积分时间也会影响采集行距。

另外线阵相机对光源和外部触发的要求也较高