CCD原理及应用 实验（一）CCD驱动实验 实验目的 1、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动器各路脉冲的颜率、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，学握CCD的基本特征。 实验内容] 1、学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握TCD1200D线阵CCD的基本工作原理。 3、学握双综示波器的基本操作。 [实验仪器1 1、双踪同步示波器(20NMHz以上) 1台 2、CCD原理应用实验箱 1台 [实验原理] CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)的简称，它是由金属一氧化物-一半导体 (Charge Coupled Device)简称MOS构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储 和信息处理，二是用于摄像装置。这里介绍摄像用的黑白两相线阵CCD。 1、黑白两相线阵CCD结构简述 黑白两相线阵CCD有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用TCD1200D型2160像 素的CCD为例进行简述。结构示意图如下： 它包括摄像机构、两个CD模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。 摄像机构也称摄像区，它具有2160个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为2160个M0S 电容，电荷转移电极为MOS电容的橱极，通过电荷转移电极给橱极加脉冲电压。光敏元起光 电转换作用，M0S电容起暂存转换的电荷和向CCD模拟移位寄存器转移电荷包的作用。将2160 个MOS电容的奇数位分别与CCD转移寄存器1相连，偶数位分别与CCD转移寄存器2相连。 CCD模拟移位寄存器也是由一系列M0S电容组成。移位寄存器1和2各密排1080个，他们 1
1 CCD 原理及应用 实验（一）CCD 驱动实验 [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。 [实验内容] 1、学习掌握线阵 CCD 的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握 TCD1200D 线阵 CCD 的基本工作原理。 3、掌握双综示波器的基本操作。 [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 [实验原理] CCD 是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是由金属—氧化物---半导体 （Charge Coupled Device）简称 MOS 构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储 和信息处理，二是用于摄像装置。 这里介绍摄像用的黑白两相线阵 CCD。 1、 黑白两相线阵 CCD 结构简述 黑白两相线阵 CCD 有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用 TCD1200D 型 2160 像 素的 CCD 为例进行简述。结构示意图如下： 它包括摄像机构、两个 CCD 模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。 摄像机构也称摄像区，它具有 2160 个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为 2160 个 MOS 电容，电荷转移电极为 MOS 电容的栅极，通过电荷转移电极给栅极加脉冲电压。光敏元起光 电转换作用，MOS 电容起暂存转换的电荷和向 CCD 模拟移位寄存器转移电荷包的作用。将 2160 个 MOS 电容的奇数位分别与 CCD 转移寄存器 1 相连，偶数位分别与 CCD 转移寄存器 2 相连。 CCD模拟移位寄存器也是由一系列MOS电容组成。移位寄存器 1 和 2 各密排 1080 个，他们
对光不敏感，中、中：为M0S电容的栅极，通过中、中外加脉冲电压上。 光敏元 0独银转移者存活 02 电荷转移电极SH为摄像区OS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平 期间，摄像机构中的M0S电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例 的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS 电容中，奇数位信号转移到移位寄存器1。偶数位信号转移到移位寄存器2。在下一个周期的 低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电 荷，在中、中、脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐 个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。 由场效应管Q、Q构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移为寄存器携带图像 信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。 输出机构接有复位电极S,接到Q,的栅极，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包 尚未输出之前，S上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q栅极复原，准备接收下一 个电荷包 DOS为采样保持电路的控制端，当DOS加适当脉冲电压时，CCD输出信号得到了采样保持。 OS端输出连续信号，DOS加直流电压时，采样保持电路不起作用，0S端输出信号与光强成正 比，通常均用此种情况 2、驱动脉冲及时序要求 要使CCD器件正常工作，至少要在SH、中、中2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲 的周期和时序要满足下图所示要求，图中U为CCD输出信号
对光不敏感，φ1、φ2为MOS电容的栅极，通过φ1、φ2外加脉冲电压上。 电荷转移电极SH为摄像区MOS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平 期间，摄像机构中的MOS电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例 的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS 电容中，奇数位信号转移到移位寄存器 1。偶数位信号转移到移位寄存器 2。在下一个周期的 低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电 荷，在φ1、φ2、脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐 个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。 由场效应管Q1、Q2构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移为寄存器携带图像 信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。 输出机构接有复位电极RS，接到Q1的栅极，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上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q1栅极复原，准备接收下一 个电荷包。 DOS 为采样保持电路的控制端，当 DOS 加适当脉冲电压时，CCD 输出信号得到了采样保持， OS 端输出连续信号，DOS 加直流电压时，采样保持电路不起作用，OS 端输出信号与光强成正 比，通常均用此种情况 2、 驱动脉冲及时序要求 要使CCD器件正常工作，至少要在SH、φ1、φ2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲 的周期和时序要满足下图所示要求，图中U0为CCD输出信号。 2
积分时间 几几几几几Π :几几几几几几几Π几 s几m Uo- +无信号 有信号 ◆无信号 S为电荷转移电极控制脉冲。SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的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。SH脉冲的周期称 为积分时间。 中、中：为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在SH脉冲的一个周期里 两侧的移位寄存器在中、中驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到 器件外。每当中，或中高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，中移奇数位，中移偶数 位。因此，中、中的位相必须相反。关于电荷传输的原理请参见下一实验。 驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的 时间，中、中的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精 度，太大会使噪声增大。 SH和中、中必须满足：SH的周期等于或稍大于2160/2个中、中脉冲周期，小于时则电 荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度：太大会影响器件的速率。 RS脉冲为复位脉冲，其频率为中、中脉冲频率的两倍。 以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是H、中、中脉 冲之间的关系，当SH为高电平时，中必须同时为高电平，且中必须比SH提前上升，当SH为低 电平时，中必须同时为低电平，且中必须比SH迟后下降。如下图所示： S阳上升、下降时间典型值为： t1=t2=50ns SH和相差时间典型值为 t3=t4=100ns 用模拟示波器是很难测出这些时间的。 实验仪器简介]
SH 为电荷转移电极控制脉冲。SH 为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的 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。SH 脉冲的周期称 为积分时间。 φ1、φ2为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在SH脉冲的一个周期里， 两侧的移位寄存器在φ1、φ2驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到 器件外。每当φ1或φ2高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，φ1移奇数位，φ2移偶数 位。因此，φ1、φ2的位相必须相反。关于电荷传输的原理请参见下一实验。 驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的 时间，φ1、φ2的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精 度，太大会使噪声增大。 SH和φ1、φ2必须满足：SH的周期等于或稍大于 2160/2 个φ1、φ2脉冲周期，小于时则电 荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度；太大会影响器件的速率。 RS脉冲为复位脉冲，其频率为φ1、φ2脉冲频率的两倍。 以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是SH、φ1、φ2脉 冲之间的关系，当SH为高电平时，φ1必须同时为高电平，且φ1必须比SH提前上升，当SH为低 电平时，φ1必须同时为低电平，且φ1必须比SH迟后下降。如下图所示： 用模拟示波器是很难测出这些时间的。 [实验仪器简介] 3
1、TCD1200D线阵CCD图象传感器 特性： 像敏单元数目：2160像元 像敏单元大小：14m×14m×14m(相邻像元中心距14m:) 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 管脚定义 包应应园的应应的白尚 的Os图网啊网网网阿阿 1 1 时钟1 OS 信号输出 中2 时钟2 DOS 补偿输出 SH 转移控制 OD 电源 复位栅 SS 地 NC 空脚 工作条件 特性 符号 最小值 典型值 最大值单位 时钟脉冲电压 高电平 V。 45 5 55 V 低电平 02 05 转移脉冲电压 高电平 5. 低电平 0 0.2 0.5 复位脉冲电压 高由平 4.5 5 55 低电平 0 02 05 电源电压 114 12 时钟脉神频率 fo 0.1 0.5 1.0 复位脉冲频率 f。e 0.2 1.0 2.0 MHZ 2、CCD原理及应用实验箱 板面布置如下图
1、TCD1200D 线阵 CCD 图象传感器 特性： ¾ 像敏单元数目：2160 像元 ¾ 像敏单元大小：14 µm×14 µm×14 µm（相邻像元中心距 14 µm） ¾ 光敏区域： 采用高灵敏度 PN 结作为光敏单元 ¾ 时钟： 二相（5V） ¾ 内部电路： 包含采样保持电路，输出预放大电路 ¾ 封装形式： 22 脚 DIP 封装 管脚定义 ф1 时钟 1 OS 信号输出 ф2 时钟 2 DOS 补偿输出 SH 转移控制栅 OD 电源 RS 复位栅 SS 地 NC 空脚 工作条件： 特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位 时钟脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 Vф 0 0.2 0.5 V 转移脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 VSH 0 0.2 0.5 V 复位脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 VRS 0 0.2 0.5 V 电源电压 VOD 11.4 12 13 V 时钟脉冲频率 fф 0.1 0.5 1.0 MHZ 复位脉冲频率 fRS 0.2 1.0 2.0 MHZ 2、CCD 原理及应用实验箱 板面布置如下图 4
99 CCD 回回 D32 力 OO 塑劲糊宰积外时问 USE嫩据采集电路 积分时间驱动频率测试区 吕 纽2 m品品 品 CCD驱动电路 信号处理电路 测试区 仪器由六部分组成 CCD驱动电路：产生CCD驱动所需的各种驱动脉冲： 积分时间驱动频率测试电路： 1)调整SH脉冲的周期，按“积分时间”，DSI轮番显示0、1、2、3，对应不同的SH脉 冲周期，0对应最小周期，3对应最大周期： 2)调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2轮番显示0、1、2、3，对 应不同的时钟频率，0对应最大频率，3对应最小频率。 为保证SH脉冲的周期等于或稍大于2160/2个中、中，脉冲周期，调整时钟脉冲频率时， SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。 信号处理电路：用硬件对CCD输出信号进行二值化处理，W1电位器可调整闵值电平。 测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲中、中2、复位脉冲S、CCD输出、二值化处理后信号 U,的输出引出端。 SB数据采集电路：为CCD输出与计算机接口电路，目的是通过软件对CCD输出信号进行 二值化处理。 光源与CCD暗箱：包含光源和CCD传感器，光源用实验箱上的0~12V电源驱动，光强度 可调，CCD传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。 [实验步骤剩 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
仪器由六部分组成 CCD 驱动电路：产生 CCD 驱动所需的各种驱动脉冲； 积分时间驱动频率测试电路： 1）调整 SH 脉冲的周期，按“积分时间”，DSI 轮番显示 0、1、2、3，对应不同的 SH 脉 冲周期，0 对应最小周期，3 对应最大周期； 2）调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2 轮番显示 0、1、2、3，对 应不同的时钟频率，0 对应最大频率，3 对应最小频率。 为保证SH脉冲的周期等于或稍大于 2160/2 个φ1、φ2脉冲周期，调整时钟脉冲频率时， SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。 信号处理电路：用硬件对 CCD 输出信号进行二值化处理，W1 电位器可调整阈值电平。 测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲φ1、φ2、复位脉冲RS、CCD输出U0、二值化处理后信号 U1的输出引出端。 USB 数据采集电路：为 CCD 输出与计算机接口电路，目的是通过软件对 CCD 输出信号进行 二值化处理。 光源与 CCD 暗箱：包含光源和 CCD 传感器，光源用实验箱上的 0～12V 电源驱动，光强度 可调，CCD 传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。 [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。 5