彩色線陣圖像傳感器實(shí)驗(yàn)

彩色線陣圖像傳感器實(shí)驗(yàn)1第1頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月主講教師：祝世平電話：-Mail：spzhu@163.com

辦公室： 新主樓B座705室2第2頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月課程安排及要求3第3頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本要求所做實(shí)驗(yàn)需要寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)該對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。線陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)部分采用Multisim電路仿真軟件進(jìn)行驅(qū)動時序信號的仿真，可以參考所提供的示例電路并做出改進(jìn)，鼓勵不同于示例電路的具有新意的電路設(shè)計(jì)，或采用FPGA、單片機(jī)等方式進(jìn)行仿真。4第4頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括實(shí)驗(yàn)部分和驅(qū)動電路設(shè)計(jì)部分），按照給定的統(tǒng)一模版，寫在1張A4紙上。要求A4紙正反面打印，正文為5號字體。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和驅(qū)動電路設(shè)計(jì)必須獨(dú)立完成，不得互相抄襲。5第5頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月二、每位同學(xué)需要提交的材料

實(shí)驗(yàn)報(bào)告：內(nèi)容包括：①實(shí)驗(yàn)部分；②驅(qū)動電路設(shè)計(jì)部分。（其中驅(qū)動電路設(shè)計(jì)部分可以包括一種或多種方案（IC分立元件、FPGA、單片機(jī)等）。實(shí)驗(yàn)報(bào)告須提交電子版和打印版。Multisim電路仿真文件（或FPGA程序、單片機(jī)程序等）：須提交電子版。6第6頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月三、相關(guān)材料的提交方式

電子版提交方式：每位同學(xué)用“學(xué)號姓名”建立一個文件夾。每位同學(xué)的以上實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子版和電路仿真文件等2項(xiàng)材料都存放在自己的文件夾內(nèi)。打印版提交方式：每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告打印1份，按照給定的統(tǒng)一模版，正反面打印在1張A4紙上。以上打印版材料和電子版材料，由班長收齊后在規(guī)定的時間內(nèi)統(tǒng)一交給任課教師。

7第7頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月參考書目王慶友主編，《圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，2003年9月。8第8頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章CCD的基本工作原理9第9頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像傳感器的基本原理成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。

10第10頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月

單個圖像傳感器的工作原理11第11頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月一維線陣圖像傳感器和二維面陣圖像傳感器12第12頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月線陣圖像傳感器的成像過程13第13頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月加拿大達(dá)爾薩(DALSA)公司IT-P1-4096線陣CCD傳感器彩色線陣CCD圖像傳感器分辨率：4096像元尺寸：10μm×10μm幀頻：4通道，23.7fps時鐘：4×25MHz動態(tài)范圍：70dB14第14頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月加拿大達(dá)爾薩(DALSA)公司FTF4052M/C全幀面陣CCD傳感器黑白/彩色全幀CCD圖像傳感器分辨率：4008×5344像元尺寸：9μm×9μm幀頻：4通道，3.6fps時鐘：4×25MHz動態(tài)范圍：>72dB，線性15第15頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件(CCD)的突出特點(diǎn)是以電荷為信號的載體，不同于大多數(shù)以電流或電壓為信號的載體的器件。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測。16第16頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷的存儲構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。在柵極G施加電壓UG之前P型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。17第17頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)柵極施壓正電壓UG（此時UG小于等于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth），P型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生耗盡區(qū)。電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。18第18頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月緊密排列的MOS結(jié)構(gòu)能夠存儲和轉(zhuǎn)移電荷。19第19頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。若將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢記為表面勢，且用Φs表示，表面勢Φs將隨柵極電壓UG的增高而增高。在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢。表面勢Φs表征了耗盡區(qū)的深度。20第20頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如Φs與UG的關(guān)系。下圖中：所示為空勢阱的情況；為反型層電荷填充1/3勢阱時表面勢收縮的情況；21第21頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)反型層電荷繼續(xù)增加時，表面勢Φs將逐漸減小，當(dāng)反型層電荷足夠多時，表面勢Φs減小到最低值2ΦF。此時，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象，表面勢可以作為勢阱深度的度量。22第22頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月23第23頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷的轉(zhuǎn)移為了理解CCD中勢阱及電荷如何從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，如下圖所示的四個彼此靠的很近的電機(jī)在加上不同電壓的情況下，勢阱與電荷的運(yùn)動規(guī)律。通過將按一定規(guī)律變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動。24第24頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。CCD正常工作所需要的相數(shù)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。25第25頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖所示的結(jié)構(gòu)需要三相時鐘脈沖，其驅(qū)動脈沖的波形如圖(f)所示。這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷必須在三相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。26第26頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月27第27頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷的檢測在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。目前的CCD輸出電荷信號的方式主要是稱為電流輸出的電路。28第28頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月電流輸出方式的電路如下圖所示。它由檢測二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場效應(yīng)管VR等單元組成。29第29頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月30第30頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動下向右轉(zhuǎn)移到最末一級轉(zhuǎn)移電極（圖中CR2電極）下的勢阱中。當(dāng)CR2電極上的電壓由高變低時，由于勢阱的提高，信號電荷將通過輸出柵（加有恒定的電壓）下的勢阱進(jìn)入反向偏置的二極管（圖中N+區(qū)）。31第31頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月進(jìn)入反向偏置的二極管中的電荷（電子），將產(chǎn)生電流Id，且Id的大小與注入二極管中的信號電荷量Qs成正比，而與R成反比。電阻R是制作在CCD器件內(nèi)部的固定電阻，阻值為常數(shù)。所以，輸出電流Id與注入二極管中的電荷量Qs成線性關(guān)系。32第32頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月由于Id的存在，使得A點(diǎn)的電位發(fā)生變化。注入二極管中的電荷量Qs越大，Id也越大，A點(diǎn)電位下降得越低。所以，可以用A點(diǎn)的電位來檢測注入到輸出二極管中的電荷Qs。隔直電容只將A點(diǎn)的電位變化取出，使其通過場效應(yīng)放大器的OS端輸出。33第33頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月線型CCD攝像器件的兩種基本形式單溝道線陣CCD34第34頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月單溝道線陣CCD由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成。光敏陣列一般由光柵控制的MOS光積分電容或PN結(jié)光電二極管構(gòu)成，光敏陣列與CCD模擬移位寄存器之間通過轉(zhuǎn)移柵相連。35第35頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)移柵既可以將光敏區(qū)與模擬移位寄存器分隔開來，又可以將光敏區(qū)與模擬移位寄存器溝通，使光敏區(qū)積累的電荷信號轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器中。36第36頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月通過加在轉(zhuǎn)移柵上的控制脈沖完成光敏區(qū)與模擬移位寄存器隔離與溝通的控制。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵上的電位為高電平時，二者溝通，而轉(zhuǎn)移柵上的電位為低電平時，二者隔離。37第37頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月二者隔離時光敏區(qū)進(jìn)行光電注入，光敏單元在不斷積累電荷，有時將光敏單元積累電荷的這段時間稱為光積分時間。轉(zhuǎn)移柵電極電壓為高電平時，光敏區(qū)所累積的信號電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。38第38頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月通常轉(zhuǎn)移柵電極為高電平的時間很短，為低電平的時間很長，因而光積分時間要遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)移時間。在光積分時間里，CCD模擬移位寄存器在三相交疊脈沖的作用下，將信號電荷一位位地移出器件，經(jīng)輸出放大器形成時序信號（或稱視頻信號）。39第39頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月雙溝道線陣CCD40第40頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月雙溝道線陣CCD攝像器件具有兩列CCD模擬移位寄存器A與B，分列在像敏陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵A與B為高電位（對于N溝道器件）時，光敏陣列勢阱里積存的信號電荷包將同時按箭頭指定的方向分別轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的模擬移位寄存器內(nèi)。然后在驅(qū)動脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移。最后經(jīng)輸出放大器以視頻信號的方式輸出。41第41頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月對同樣的像敏單元來說，雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，轉(zhuǎn)移時間縮短一半，它的總轉(zhuǎn)移效率大大提高。因此，在要求提高CCD的工作速度和轉(zhuǎn)移效率的情況下，常采用雙溝道的方式。42第42頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章TCD2252D彩色雙溝道CCD

43第43頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月一、TCD2252D的基本結(jié)構(gòu)TCD2252D是一種高靈敏度、低暗電流、2700像元的內(nèi)置采樣保持電路的彩色線陣CCD圖像傳感器。它內(nèi)部包含3列2700像元的光敏二極管。

該器件工作在5V驅(qū)動（脈沖）、12V電源條件下。

44第44頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的外形圖

45第45頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的管腳分布圖

46第46頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的管腳定義

47第47頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的基本特性

像敏單元數(shù)目：2700像元×3列。像敏單元大?。?m×8m×8m（相鄰像元中心距為8m）。光敏區(qū)域：采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元。48第48頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月相鄰光敏列間距：48m時鐘：二相（5V）內(nèi)部電路：采樣保持電路、箝位電路。封裝形式：22腳DIP封裝。彩色濾光片：綠、藍(lán)、紅。49第49頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的基本結(jié)構(gòu)原理圖

50第50頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D由2776個PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏單元陣列，其中前64個和后12個是用做暗電流檢測而被遮蔽的，圖中用符號Di(i=0,1,2,…)表示。中間的2700個光電二極管是曝光像敏單元，圖中用符號Si(i=0,1,2,…)表示。

51第51頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月每個光敏單元的尺寸為8μm×8μm，相鄰像素中心距8μm，相鄰傳感線間距48μm。

光敏單元陣列的兩側(cè)是用做存儲光生電荷的MOS電容存儲柵。

52第52頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS電容存儲柵的兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH。轉(zhuǎn)移柵電極的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器。其信號輸出部分由輸出放大器單元的OS端輸出。

53第53頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月①SH：完成將光敏區(qū)信號電荷向模擬移位寄存器中轉(zhuǎn)移，在光積分期間，起到隔離作用。②SP：采樣保持脈沖，采樣保持電路的作用是把鉗位電路的輸出值保持一段時間，使得波形成為高低電平的形式而不是脈沖。54第54頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月③

RS：當(dāng)轉(zhuǎn)移柵把信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中后，移位寄存器要一位一位輸出電荷，為了不使得輸出混亂，RS電極需要外加適當(dāng)?shù)膹?fù)位脈沖，每當(dāng)前一個電荷包輸出完畢，下一個電荷包尚未輸出之前，RS電極上應(yīng)出現(xiàn)復(fù)位脈沖，它把前一電荷包抽走，以準(zhǔn)備接受下一電荷包到來。55第55頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月④CP：鉗位脈沖，減少紋波和暗電流的影響，保持零電平，使采樣保持電路有一個穩(wěn)定的采樣值。56第56頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月二、TCD2252D的工作原理線陣CCD由光電二極管陣列組成的光敏區(qū)，轉(zhuǎn)移柵，CCD模擬移位寄存器，以及其它一些控制電路組成。

57第57頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月對于光敏區(qū)來說，是由光電二極管陣列構(gòu)成，它們可以把入射在其上的光能轉(zhuǎn)化為電能（確切的說是電荷包）。轉(zhuǎn)化出的電荷量的多少是和入射在相應(yīng)的光電二極管上的光強(qiáng)和積分時間有關(guān)系的，因此電荷量的多少就反映了原圖像的信息。

58第58頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月同時光敏區(qū)必須把所形成的電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以便于變成便于利用的電壓信號。而且只有及時地把電荷轉(zhuǎn)移走才能使得CCD芯片能連續(xù)工作。

59第59頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)然轉(zhuǎn)移柵的功能就是實(shí)現(xiàn)把光敏區(qū)產(chǎn)生的電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。要使電荷轉(zhuǎn)移快速準(zhǔn)確的進(jìn)行，就必須用外界電路產(chǎn)生相應(yīng)的波形（電壓）進(jìn)行控制，因此設(shè)計(jì)CCD的驅(qū)動電路就成為能使器件正常工作的重要環(huán)節(jié)。

60第60頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月在轉(zhuǎn)移柵把光敏區(qū)的產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器的同時，光敏區(qū)又開始工作進(jìn)行新一輪的轉(zhuǎn)換。CCD模擬移位寄存器則把轉(zhuǎn)移過來的電荷保存并向外（計(jì)算機(jī)）傳輸。

61第61頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月剩余的電路如鉗位和采樣保持的作用是使得CCD芯片輸出的信號OS的電平能穩(wěn)定的保持。

62第62頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月因?yàn)橛屑y波和暗電流的影響，CCD移位寄存器的輸出電平不穩(wěn)定。鉗位使RS復(fù)位后的零電平可以保持一段時間、使零電平時間長一些，這樣線性化好一些。采樣保持電路的作用是把OS輸出信號電平保持一定的時間，使得波形成為高低電平的形式而不是脈沖。63第63頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的驅(qū)動脈沖時序圖

64第64頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中當(dāng)SH脈沖為高電平時，1A,B脈沖亦為高電平，其下均形成深勢阱。這樣，SH的深勢阱使1A,B電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通，MOS電容存儲柵中的信號電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器1A,B電極下的勢阱中。

65第65頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)SH由高變低時，SH低電平形成的淺勢阱（也可以稱為勢壘）將存儲柵下的勢阱與1A,B電極下的勢阱隔離開。存儲柵下的勢阱進(jìn)入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在1A,B與2A,B脈沖的作用下驅(qū)動信號電荷進(jìn)入定向轉(zhuǎn)移。

66第66頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月最初由存儲柵轉(zhuǎn)移到1A,B電極下勢阱中的信號電荷將向左轉(zhuǎn)移進(jìn)入2A,B電極下勢阱中，而后再轉(zhuǎn)移至1A,B電極下勢阱中，一位位地向左轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)過輸出電路由OS端輸出啞元信號和2700個有效像元信號。

67第67頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端首先輸出13個虛設(shè)單元信號（所謂虛設(shè)單元是沒有光電二極管與之對應(yīng)當(dāng)CCD模擬寄存器的部分）。然后輸出48個啞元信號（指被遮光的光電二極管與之對應(yīng)當(dāng)CCD模擬移位寄存器的部分產(chǎn)生的信號）。68第68頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月再輸出3個信號（這3個信號可因?yàn)楣獾男鄙涠a(chǎn)生電荷信號的輸出，但不能作為有效信號）。最后才連續(xù)輸出S1～S2700的有效像素單元信號。S2700信號輸出后，又輸出9個暗信號。69第69頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月再輸出2個奇偶檢驗(yàn)信號，之后便是沒有信號的空驅(qū)動信號?？镇?qū)動數(shù)目可以是任意的，但必須大于0，否則會影響下一行信號的輸出。

70第70頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)模栽谝粋€SH周期中至少要有1388個1A,B脈沖。即TSH>1388T1，T1為驅(qū)動脈沖1A,B的周期。71第71頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中的RS為加在復(fù)位場效應(yīng)管柵極上的復(fù)位脈沖。每復(fù)位一次就輸出一個像敏單元的信號，在器件的輸出端輸出OS信號。時鐘管腳：每一時鐘有兩個相位的原因，是每一通道R、G、B為了快速轉(zhuǎn)移電荷，而使用兩個時鐘脈沖的控制。72第72頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月?1與SH的相位關(guān)系：?1先高，移位寄存器中接收電荷的勢阱先形成，有利于電荷的轉(zhuǎn)移；?1后下降，不致使?1的電極下電荷倒流回勢阱中。

73第73頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)移脈沖SH的高電平期間，驅(qū)動脈沖?1必須也為高電平，而且必須保證SH的下降沿落在?1的高電平上，才能保證光敏區(qū)的信號電荷并行地向模擬移位寄存器的?1電極轉(zhuǎn)移。74第74頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月TCD2252D的時序要求

75第75頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月76第76頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月77第77頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月三、TCD2252D的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

SH脈沖為低電平時為“采光”時間（積分時間），SH脈沖的周期決定了器件采光時間的長短。

78第78頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月而在此期間，兩側(cè)的移位寄存器在驅(qū)動脈沖?1和?2作用下把上一次轉(zhuǎn)移來的電荷包逐個一次輸出到器件以外。可以看出，在SH為低電平期間，兩個移位寄存器分別輸出2700/2個信號脈沖。

79第79頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月器件最佳驅(qū)動脈沖?1、?2的頻率為500KHz。那么RS的復(fù)位信號的頻率就應(yīng)該是?1、?2的頻率的2倍。同理，根據(jù)CCD的基本原理可以分析出鉗位和采樣保持脈沖電路的頻率要求。80第80頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月驅(qū)動電路應(yīng)滿足三個要求

①滿足CCD芯片時序圖的時序要求。②對CCD提供的脈沖應(yīng)滿足一定的電壓幅度（12V）和功率要求（800mW）。③CCD輸出信號便于和外電路連接。

81第81頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月驅(qū)動電路方框圖

82第82頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月在CCD應(yīng)用技術(shù)中，其賴以正常工作的驅(qū)動信號的產(chǎn)生電路比較復(fù)雜，驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)也就成為其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。

83第83頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月由于不同廠家生產(chǎn)的CCD其驅(qū)動時序不盡相同，而同一廠家的不同型號的CCD其驅(qū)動時序也不完全一樣，使CCD的驅(qū)動電路很難規(guī)范化、產(chǎn)品化。因此，許多CCD用戶必須面對驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)問題。

84第84頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD時序脈沖信號是一組周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號，它是影響CCD器件的信號處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個重要因素。85第85頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月線陣CCD驅(qū)動電路通常有4種方式實(shí)現(xiàn)：IC驅(qū)動法EPROM驅(qū)動法（或E2PROM）單片機(jī)驅(qū)動法可編程邏輯器件(PLD)驅(qū)動法86第86頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月1、IC驅(qū)動法在設(shè)計(jì)中，使用同一時鐘對幾路脈沖進(jìn)行控制，以保證相互間確定的時間關(guān)系。再用分頻器對時鐘脈沖進(jìn)行分頻以產(chǎn)生各路脈沖所需的波形。下圖為采用這種方法設(shè)計(jì)的電路圖。

87第87頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月兩相CCD驅(qū)動的電路圖

88第88頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月Multisim10.0在理想仿真模式下的仿真結(jié)果光生電荷轉(zhuǎn)移階段（兩端部分）：第一幅圖SHΦ1SPRS

89第89頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第二幅圖Φ2SPRSCP90第90頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第三幅圖SHSPRSCP91第91頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月光生電荷積累階段（中間部分）：

第一幅圖Φ1Φ2RSCP92第92頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第二幅圖Φ1SPRSCP93第93頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月2、EPROM驅(qū)動方法

由CCD驅(qū)動時序圖可知，RS、CP和SP的低電平為最窄，而各個信號的任何部分都是最窄部分的倍數(shù)。根據(jù)這一特點(diǎn)，將這組信號以最窄部分為基本單位劃分為若干個等時間間隔，稱為狀態(tài)。

94第94頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月時鐘波形電平變化發(fā)生在一定狀態(tài)變化時刻，這樣任意一路信號都被分為上萬個狀態(tài)，處于某一狀態(tài)時，各路信號或1或0，構(gòu)成一個狀態(tài)的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)依次裝入可擦除只讀存儲器EPROM中，只要等時間間隔地依次輸出這些數(shù)據(jù)就形成了CCD所需的各路波形。

95第95頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月3、單片驅(qū)動方法

單片機(jī)是靠指令產(chǎn)生I/O口的輸出邏輯狀態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動時序。由于線陣CCD的典型復(fù)位脈沖是1MHz，對單片機(jī)的速度有一個最低要求，所以要實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動方法必須使用指令周期小于1μs的單片機(jī)，如AVR單片機(jī)。96第96頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)驅(qū)動連接示意圖

97第97頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月4、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)法

這種設(shè)計(jì)方法就是使用與器件對應(yīng)的基于Windows的開發(fā)軟件，這類軟件一般都支持電路圖、VHDL或VerilogHDL輸入方式及仿真。首先按CCD時序發(fā)生器的原理將其分成高低幾個邏輯關(guān)系層。98第98頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月利用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對各部分邏輯關(guān)系使用原理圖與硬件描述語言混合進(jìn)行描述。并進(jìn)行逐級仿真，以確保時序的正確性。最后將編譯生成的JEDEC文件下載到可編程芯片上。

99第99頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月基于FPGA的驅(qū)動連接示意圖

賽靈思(XILINX)、阿爾特拉(Altera)等公司均有FPGA產(chǎn)品，雖然不同公司的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上差異較大，但都能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)編程開發(fā)的功能。100第100頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月5、四種方法的比較早期的CCD驅(qū)動電路幾乎全部是由普通數(shù)字電路芯片實(shí)現(xiàn)的，由于需要復(fù)雜的三相或四相交迭脈沖，一般整個驅(qū)動電路需要20個芯片左右，體積較大，設(shè)計(jì)也復(fù)雜，偏重于硬件的實(shí)現(xiàn)，調(diào)試?yán)щy，靈活性較差。101第101頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月EPROM（或E2PROM）法，設(shè)計(jì)思想十分顯然，不論對任何型號的CCD，其硬件結(jié)構(gòu)幾乎不需要變化。只需按CCD的典型驅(qū)動波形圖，將EPROM輸出數(shù)據(jù)與CCD信號相對應(yīng)，以及將波形轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)即可，設(shè)計(jì)起來十分簡單。102第102頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)驅(qū)動方法與EPROM方法有些相似。EPROM方法每改變地址就輸出新的狀態(tài)數(shù)據(jù)，單片機(jī)法每改變一次端口輸出指令就改變了輸出數(shù)據(jù)。在這種設(shè)計(jì)方法中，硬件電路非常簡單，但是存在資源浪費(fèi)較多，頻率較低的缺陷。103第103頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月可編程邏輯器件設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)集成度高、速度快、可靠性好。系統(tǒng)每一功能模塊完成后可單獨(dú)仿真。整個系統(tǒng)完成時也可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，不需要外部測試儀器就可以檢查修改設(shè)計(jì)中的問題。104第104頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，利用ISP技術(shù)（系統(tǒng)內(nèi)可編程技術(shù)）后，系統(tǒng)提供編程接口，電子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)變得像軟件設(shè)計(jì)那樣靈活而又易于修改。105第105頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月ISP技術(shù)，即在系統(tǒng)內(nèi)可編程技術(shù)，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。106第106頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月硬件的功能可以實(shí)時地加以修改，或按規(guī)定程序改變組態(tài)。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膽?yīng)用已經(jīng)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢。107第107頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章彩色線陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)

108第108頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)實(shí)驗(yàn)儀的基本原理及技術(shù)指標(biāo)109第109頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月YHCCD-IV（基本型）的規(guī)格及

技術(shù)指標(biāo)圖像傳感器采用2700像素TCD2252DRGB三線彩色線陣CCD，單像素尺寸8μm×8μm，相鄰像素中心距8μm，相鄰傳感線間距48μm。110第110頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月YHCCD－IV彩色線陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、照明系統(tǒng)、被測物夾持系統(tǒng)、成像光學(xué)系統(tǒng)、彩色線陣CCD、信號處理系統(tǒng)、測量軟件和計(jì)算機(jī)等組成。111第111頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓電源為照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的照明光。被照明的物體經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)成像在線陣CCD的光敏陣列面上。線陣CCD在驅(qū)動脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻信號。112第112頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)框圖113第113頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀器示意圖114第114頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月儀器各部件介紹主電源開關(guān)二值化閾值電平調(diào)節(jié)旋鈕硬件二值化開關(guān)振動裝置電機(jī)開關(guān)（此儀器中暫時未使用）115第115頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月光源開關(guān)（此儀器中暫時未使用）CCD上電開關(guān)（此儀器中暫時未使用）計(jì)算機(jī)并口連接端口116第116頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月積分時間設(shè)置按鈕（個位減）積分時間設(shè)置按鈕（十位減）積分時間設(shè)置按鈕（十位加）積分時間設(shè)置按鈕（個位加）驅(qū)動頻率設(shè)置按鈕117第117頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月儀器顯示面板頂蓋（可拿下）測量用接線柱118第118頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)實(shí)驗(yàn)儀的相關(guān)說明

119第119頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月一、CCD驅(qū)動波形與YHCCD－IV標(biāo)注對應(yīng)關(guān)系

實(shí)驗(yàn)儀上F1信號對應(yīng)于該器件的?1A1、?1A2和?1B信號。實(shí)驗(yàn)儀上F2信號對應(yīng)于該器件的?2A1、?2A2和?2B信號。實(shí)驗(yàn)儀上RS信號對應(yīng)于該器件的RS信號。120第120頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)儀上CP信號對應(yīng)于該器件的CP信號。實(shí)驗(yàn)儀上SP信號對應(yīng)于該器件的SP信號。實(shí)驗(yàn)儀FC(HC)信號定義如下：121第121頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月FC信號周期與SH信號周期相同，F(xiàn)C信號上升沿對應(yīng)于CCD第一有效輸出信號。

122第122頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各部分操作基本說明

驅(qū)動頻率設(shè)置按鈕：調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率，顯示數(shù)字為“0”——“3”循環(huán)。“0”表示1MHz驅(qū)動頻率；“1”表示500KHz；“2”表示250KHz；“3”表示125KHz驅(qū)動頻率。123第123頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月積分時間設(shè)置按鈕（共4個）：用于控制本實(shí)驗(yàn)儀積分時間。顯示“00”——“31”共32檔積分時間，通過改變驅(qū)動頻率，可以擴(kuò)展積分時間設(shè)定范圍。124第124頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)定的積分時間與當(dāng)前的驅(qū)動頻率有關(guān)，例如：在“0”檔驅(qū)動頻率下每改變一檔積分時間，其積分時間僅改變0.256ms；而在“1”檔驅(qū)動頻率下每改變一檔積分時間，其積分時間將改變0.512ms。

125第125頁，課件共140頁，創(chuàng)作于2023年2月二值化閾值電平調(diào)節(jié)按鈕（共2個）：用于調(diào)節(jié)本實(shí)驗(yàn)儀閾值電平：每按一次，閾值電平改變0.02V。儀器顯示面板顯示為當(dāng)