彩色線陣CCD圖像傳感器實(shí)驗(yàn)_2013

1、1 2 q主講教師： 祝世平 q 電話q E-Mail ： q 辦公室：新主樓B座705室 3 4 n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(duì) 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。 n線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)部分采用Multisim 電路仿真軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的仿真，可可 以參考所提供的示例電路并做出改進(jìn)，鼓勵(lì)以參考所提供的示例電路并做出改進(jìn)，鼓勵(lì) 不同于示例電路的具有新意的電路設(shè)計(jì)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。 5 n 實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括實(shí)驗(yàn)部分和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)包括實(shí)驗(yàn)部分和驅(qū)動(dòng)電路設(shè) 計(jì)部分計(jì)部分），按照給定的統(tǒng)一模版，寫

2、在按照給定的統(tǒng)一模版，寫在 1張張A4紙上紙上。要求要求A4紙正反面打印紙正反面打印，正 文為5號(hào)字體。 n 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)必須獨(dú)立完成， 不得互相抄襲。 6 n實(shí)驗(yàn)報(bào)告：內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)部分；驅(qū)動(dòng) 電路設(shè)計(jì)部分。（其中驅(qū)動(dòng)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。 nMultisim電路仿真文件（或FPGA程序、單 片機(jī)程序等）：須提交電子版。 7 n電子版提交方式：每位同學(xué)用“學(xué)號(hào) 姓名”建立 一個(gè)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)。 n打印版提交方式：每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)

3、告打印1份， 按照給定的統(tǒng)一模版，正反面打印在按照給定的統(tǒng)一模版，正反面打印在1張張A4紙上紙上。 n以上打印版材料和電子版材料，由班長(zhǎng)收齊后在規(guī) 定的時(shí)間內(nèi)統(tǒng)一交給任課教師。 8 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。 9 10 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(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感 器。 11 12 13 14 p彩色線陣CCD圖像傳感器 p分辨率：4096 p像元尺寸：10m10m p幀頻：4通道，23.7fps p時(shí)鐘：425MHz

4、p動(dòng)態(tài)范圍：70dB 15 p黑白/彩色全幀CCD圖像 傳感器 p分辨率：40085344 p像元尺寸：9m9m p幀頻：4通道，3.6fps p時(shí)鐘：425MHz p動(dòng)態(tài)范圍：72dB，線性 16 電荷耦合攝像器件(CCD)的突出特點(diǎn)是 以電荷為信號(hào)的載體，不同于大多數(shù)以 電流或電壓為信號(hào)的載體的器件。CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。 因此，CCD的基本工作過程主要是信號(hào) 電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測(cè)。 17 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。 18 當(dāng)柵極施壓正電壓UG（此時(shí)UG

5、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。 19 緊密排列的MOS結(jié)構(gòu)能夠存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移電荷。 20 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(shì)記為表面勢(shì)， 且用s表示，表面勢(shì)s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(shì)。 表面勢(shì)s表征了耗盡區(qū)的深度。 21 在沒有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度” 與柵極電壓UG的關(guān)系恰如s與UG的關(guān) 系。下圖中： 所示為空勢(shì)阱的情況； 為反型層電荷填充1/3勢(shì)阱時(shí)表面勢(shì)收 縮

6、的情況； 22 當(dāng)反型層電荷繼續(xù)增加時(shí)，表面勢(shì)s 將逐漸減小，當(dāng)反型層電荷足夠多時(shí)， 表面勢(shì)s減小到最低值2F。此時(shí)， 電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象，表面勢(shì)可 以作為勢(shì)阱深度的度量。 23 24 為了理解CCD中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè) 位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，如下圖所示的 四個(gè)彼此靠的很近的電機(jī)在加上不同電 壓的情況下，勢(shì)阱與電荷的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。 25 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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)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。 26 下圖所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，

7、其 驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖的作用下， 才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。 27 28 在CCD中，有效地收集和檢測(cè)電荷是一 個(gè)重要問題。 目前的CCD輸出電荷信號(hào)的方式主要是 稱為電流輸出的電路。 29 電流輸出方式的電路如下圖所示。 它由檢測(cè)二極管、二極管的偏置電阻R、 源極輸出放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管VR等單 元組成。 30 31 信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移 到最末一級(jí)轉(zhuǎn)移電極（圖中CR2電極） 下的勢(shì)阱中。 當(dāng)CR2電極上的電壓由高變低時(shí)，由于 勢(shì)阱的提高，信號(hào)電荷將通過輸出柵 （加有恒定的電壓）下的勢(shì)阱進(jìn)入反

8、向 偏置的二極管（圖中N+區(qū)）。 32 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(hào)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。 33 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(cè)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(chǎng)效應(yīng) 放大器的OS端輸出。 34 單溝道線陣CCD 35 單溝道線陣CCD由光敏陣列、轉(zhuǎn)移柵、 CCD

9、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。 36 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(hào)轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器中。 37 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(shí)，二者溝 通，而轉(zhuǎn)移柵上的電位為低電平時(shí)，二 者隔離。 38 二者隔離時(shí)光敏區(qū)進(jìn)行光電注入，光敏 單元在不斷積累電荷，有時(shí)將光敏單元 積累電荷的這段時(shí)間稱為光積分時(shí)間。 轉(zhuǎn)移柵電極電壓為高

10、電平時(shí)，光敏區(qū)所 累積的信號(hào)電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到 CCD模擬移位寄存器中。 39 通常轉(zhuǎn)移柵電極為高電平的時(shí)間很短， 為低電平的時(shí)間很長(zhǎng)，因而光積分時(shí)間 要遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)移時(shí)間。 在光積分時(shí)間里，CCD模擬移位寄存器 在三相交疊脈沖的作用下，將信號(hào)電荷 一位位地移出器件，經(jīng)輸出放大器形成 時(shí)序信號(hào)（或稱視頻信號(hào)）。 40 雙溝道線陣CCD 41 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(duì)于N溝道器件）時(shí)， 光敏陣列勢(shì)阱里積存的信號(hào)電荷包將同時(shí)按箭 頭指定的方向分別轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的模擬移位寄存 器內(nèi)。 然后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)

11、移。 最后經(jīng)輸出放大器以視頻信號(hào)的方式輸出。 42 對(duì)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(shí)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。 43 44 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(dòng)（脈沖）、12V電 源條件下。 45 46 47 48 q像敏單元數(shù)目：2700像元3列。 q像敏單元大?。?m8m8m（相 鄰像元中心距為8m）。 q光敏區(qū)域：采用

12、高靈敏度和低暗電流PN 結(jié)作為光敏單元。 49 q相鄰光敏列間距：48m q時(shí)鐘：二相（5V） q內(nèi)部電路：采樣保持電路、箝位電路。 q封裝形式：22腳DIP封裝。 q彩色濾光片：綠、藍(lán)、紅。 50 51 TCD2252D由2776個(gè)PN結(jié)光電二極管構(gòu) 成光敏單元陣列，其中前64個(gè)和后12個(gè) 是用做暗電流檢測(cè)而被遮蔽的，圖中用 符號(hào)Di (i=0,1,2,)表示。 中間的2700個(gè)光電二極管是曝光像敏單 元，圖中用符號(hào)Si (i=0,1,2,)表示。 52 每個(gè)光敏單元的尺寸為8m8m，相 鄰像素中心距8m，相鄰傳感線間距 48m。 光敏單元陣列的兩側(cè)是用做存儲(chǔ)光生電 荷的MOS電容存儲(chǔ)柵。

13、53 MOS電容存儲(chǔ)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(hào)輸出部分由輸出放大器單元的OS 端輸出。 54 SH：完成將光敏區(qū)信號(hào)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。 SP：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(shí)間， 使得波形成為高低電平的形式而不是脈 沖。 55 RS：當(dāng)轉(zhuǎn)移柵把信號(hào)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(gè)電 荷包輸出完畢，下一個(gè)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

14、下一電荷 包到來。 56 CP：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(gè)穩(wěn)定的采樣值。 57 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。 58 對(duì)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(shí)間有關(guān) 系的，因此電荷量的多少就反映了原圖 像的信息。 59 同時(shí)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(hào)。 而且只有及時(shí)地把電荷轉(zhuǎn)移走才能使得 CCD芯片能連續(xù)工作。 60

15、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(dòng)電路就成 為能使器件正常工作的重要環(huán)節(jié)。 61 在轉(zhuǎn)移柵把光敏區(qū)的產(chǎn)生的信號(hào)電荷轉(zhuǎn) 移到CCD模擬移位寄存器的同時(shí)，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。 62 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(hào)OS的電平能穩(wěn) 定的保持。 63 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(shí)間、使零 電平時(shí)間長(zhǎng)

16、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(hào)電 平保持一定的時(shí)間，使得波形成為高低 電平的形式而不是脈沖。 64 65 圖中當(dāng)SH脈沖為高電平時(shí)，1A,B脈沖亦 為高電平，其下均形成深勢(shì)阱。 這樣，SH的深勢(shì)阱使1A,B電極下的深勢(shì) 阱與MOS電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通，MOS電容 存儲(chǔ)柵中的信號(hào)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(shì)阱中。 66 當(dāng)SH由高變低時(shí)，SH低電平形成的淺 勢(shì)阱（也可以稱為勢(shì)壘）將存儲(chǔ)柵下的 勢(shì)阱與1A,B電極下的勢(shì)阱隔離開。 存儲(chǔ)柵下的勢(shì)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(dòng)信號(hào)電荷進(jìn)入定向轉(zhuǎn)移。 67

17、 最初由存儲(chǔ)柵轉(zhuǎn)移到1A,B電極下勢(shì)阱中 的信號(hào)電荷將向左轉(zhuǎn)移進(jìn)入2A,B電極下 勢(shì)阱中，而后再轉(zhuǎn)移至1A,B電極下勢(shì)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(hào)和2700個(gè)有效 像元信號(hào)。 68 由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端首先輸出13個(gè) 虛設(shè)單元信號(hào)（所謂虛設(shè)單元是沒有光 電二極管與之對(duì)應(yīng)當(dāng)CCD模擬寄存器的 部分）。 然后輸出48個(gè)啞元信號(hào)（指被遮光的光 電二極管與之對(duì)應(yīng)當(dāng)CCD模擬移位寄存 器的部分產(chǎn)生的信號(hào)）。 69 再輸出3個(gè)信號(hào)（這3個(gè)信號(hào)可因?yàn)楣獾?斜射而產(chǎn)生電荷信號(hào)的輸出，但不能作 為有效信號(hào)）。 最后才連續(xù)輸出S1S2700的有效像素單 元信號(hào)。 S2700

18、信號(hào)輸出后，又輸出9個(gè)暗信號(hào)。 70 再輸出2個(gè)奇偶檢驗(yàn)信號(hào)，之后便是沒有 信號(hào)的空驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 空驅(qū)動(dòng)數(shù)目可以是任意的，但必須大于0， 否則會(huì)影響下一行信號(hào)的輸出。 71 由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)模?所以在一個(gè)SH周期中至少要有1388個(gè) 1A,B脈沖。 即TSH1388T1，T1為驅(qū)動(dòng)脈沖1A,B的周 期。 72 圖中的RS為加在復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管柵極上的 復(fù)位脈沖。 每復(fù)位一次就輸出一個(gè)像敏單元的信號(hào)， 在器件的輸出端輸出OS信號(hào)。 時(shí)鐘管腳：每一時(shí)鐘有兩個(gè)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(gè)時(shí)鐘脈沖的控制。 73 1與SH的相位關(guān)系：1先高，移位寄存 器中

19、接收電荷的勢(shì)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(shì)阱中。 74 轉(zhuǎn)移脈沖SH的高電平期間，驅(qū)動(dòng)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(hào)電荷并行地向模擬移位寄存器 的1電極轉(zhuǎn)移。 75 76 77 78 SH脈沖為低電平時(shí)為“采光”時(shí)間（積 分時(shí)間），SH脈沖的周期決定了器件采 光時(shí)間的長(zhǎng)短。 79 而在此期間，兩側(cè)的移位寄存器在驅(qū)動(dòng) 脈沖1和2作用下把上一次轉(zhuǎn)移來的電 荷包逐個(gè)一次輸出到器件以外。 可以看出，在SH為低電平期間，兩個(gè)移 位寄存器分別輸出2700/2個(gè)信號(hào)脈沖。 80 器件最佳驅(qū)動(dòng)脈沖 1 、 2

20、的頻率為 500KHz。 那么RS的復(fù)位信號(hào)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。 81 滿足CCD芯片時(shí)序圖的時(shí)序要求。 對(duì)CCD提供的脈沖應(yīng)滿足一定的電壓 幅度（12V）和功率要求（800mW）。 CCD輸出信號(hào)便于和外電路連接。 82 83 在CCD應(yīng)用技術(shù)中，其賴以正常工作的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生電路比較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電 路的設(shè)計(jì)也就成為其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題 之一。 84 由于不同廠家生產(chǎn)的CCD其驅(qū)動(dòng)時(shí)序不 盡相同，而同一廠家的不同型號(hào)的CCD 其驅(qū)動(dòng)時(shí)序也不完全一樣，使CCD的驅(qū) 動(dòng)電路很難規(guī)范化、產(chǎn)品化。 因此，許多CC

21、D用戶必須面對(duì)驅(qū)動(dòng)電路 的設(shè)計(jì)問題。 85 CCD 時(shí)序脈沖信號(hào)是一組周期性的、關(guān) 系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào)，它是影響CCD 器件的信號(hào)處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪 比等性能的一個(gè)重要因素。 86 線陣CCD 驅(qū)動(dòng)電路通常有4種方式實(shí)現(xiàn)： IC 驅(qū)動(dòng)法 EPROM驅(qū)動(dòng)法（或E2PROM） 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法 可編程邏輯器件(PLD) 驅(qū)動(dòng)法 87 在設(shè)計(jì)中，使用同一時(shí)鐘對(duì)幾路脈沖進(jìn) 行控制，以保證相互間確定的時(shí)間關(guān)系。 再用分頻器對(duì)時(shí)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。 88 89 n光生電荷轉(zhuǎn)移階段（兩端部分）： 90 91 92 n光生電荷積累階段（中間部分）：

22、93 94 由CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖可知，RS、CP和SP 的低電平為最窄，而各個(gè)信號(hào)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(hào)以最窄部分 為基本單位劃分為若干個(gè)等時(shí)間間隔， 稱為狀態(tài)。 95 時(shí)鐘波形電平變化發(fā)生在一定狀態(tài)變化 時(shí)刻，這樣任意一路信號(hào)都被分為上萬 個(gè)狀態(tài)，處于某一狀態(tài)時(shí)，各路信號(hào)或1 或0，構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。 將數(shù)據(jù)依次裝入可擦除只讀存儲(chǔ)器 EPROM中，只要等時(shí)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。 96 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(dòng)時(shí)序。 由于線陣CCD 的典型復(fù)位脈沖是1MHz， 對(duì)單片機(jī)的速度有一個(gè)最低要求，所以

23、要實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)方法必須使用指令周期 小于1s 的單片機(jī)，如AVR單片機(jī)。 97 98 這種設(shè)計(jì)方法就是使用與器件對(duì)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Verilog HDL輸 入方式及仿真。 首先按CCD時(shí)序發(fā)生器的原理將其分成 高低幾個(gè)邏輯關(guān)系層。 99 利用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)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(jí)仿真，以確保時(shí)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。 100 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)

24、可重 復(fù)編程開發(fā)的功能。 101 早期的CCD驅(qū)動(dòng)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(gè) 驅(qū)動(dòng)電路需要20個(gè)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。 102 EPROM（或E2PROM）法，設(shè)計(jì)思想 十分顯然，不論對(duì)任何型號(hào)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(dòng)波形圖，將EPROM 輸 出數(shù)據(jù)與CCD信號(hào)相對(duì)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(jiǎn) 單。 103 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)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

25、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(jiǎn)單， 但是存在資源浪費(fèi)較多，頻率較低的 缺陷。 104 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(gè)系統(tǒng)完成時(shí)也可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 仿真，不需要外部測(cè)試儀器就可以檢 查修改設(shè)計(jì)中的問題。 105 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。 106 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。

26、 107 硬件的功能可以實(shí)時(shí)地加以修改，或按 規(guī)定程序改變組態(tài)。大規(guī)?？删幊踢壿?器件的應(yīng)用已經(jīng)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。 108 109 110 圖像傳感器采用2700像素TCD2252D RGB三線彩色線陣CCD，單像素尺寸 8m8m，相鄰像素中心距8m，相鄰 傳感線間距48m。 111 YHCCDIV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(cè)物夾持系 統(tǒng)、成像光學(xué)系統(tǒng)、彩色線陣CCD、信號(hào) 處理系統(tǒng)、測(cè)量軟件和計(jì)算機(jī)等組成。 112 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(dòng)脈沖的作用下完成光電轉(zhuǎn) 換并產(chǎn)

27、生視頻信號(hào)。 113 114 115 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(dòng)裝置電機(jī)開關(guān)（此儀器中暫時(shí)未使 用） 116 光源開關(guān)（此儀器中暫時(shí)未使用） CCD上電開關(guān)（此儀器中暫時(shí)未使用） 計(jì)算機(jī)并口連接端口 117 積分時(shí)間設(shè)置按鈕（個(gè)位減） 積分時(shí)間設(shè)置按鈕（十位減） 積分時(shí)間設(shè)置按鈕（十位加） 積分時(shí)間設(shè)置按鈕（個(gè)位加） 驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置按鈕 118 儀器顯示面板 頂蓋（可拿下） 測(cè)量用接線柱 119 120 實(shí)驗(yàn)儀上F1信號(hào)對(duì)應(yīng)于該器件的1A1、 1A2和1B信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)儀上F2信號(hào)對(duì)應(yīng)于該器件的2A1、 2A2和2B信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)儀上RS信號(hào)對(duì)應(yīng)于該器件的RS信號(hào)。 1

28、21 實(shí)驗(yàn)儀上CP信號(hào)對(duì)應(yīng)于該器件的CP信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)儀上SP信號(hào)對(duì)應(yīng)于該器件的SP信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)儀FC(HC)信號(hào)定義如下： 122 FC信號(hào)周期與SH信號(hào)周期相同，F(xiàn)C信 號(hào)上升沿對(duì)應(yīng)于CCD第一有效輸出信號(hào)。 123 驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置按鈕：調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率，顯示數(shù) 字為“0”“3”循環(huán)。 p“0”表示1MHz驅(qū)動(dòng)頻率； p“1”表示500KHz； p“2”表示250KHz； p“3”表示125KHz驅(qū)動(dòng)頻率。 124 積分時(shí)間設(shè)置按鈕（共4個(gè)）：用于控 制本實(shí)驗(yàn)儀積分時(shí)間。 p顯示“00”“31”共32檔積分時(shí)間， 通過改變驅(qū)動(dòng)頻率，可以擴(kuò)展積分時(shí)間 設(shè)定范圍。 125 設(shè)定的積分時(shí)間與當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)頻率有 關(guān)，例如： p在“0”檔驅(qū)動(dòng)頻率下每改變一檔積分 時(shí)間，其積分時(shí)間僅改變0.256ms； p而在“1”檔驅(qū)動(dòng)頻率下每改變一檔積 分時(shí)間，其積分時(shí)間將改變0.512ms。 126 二值化閾值電平調(diào)節(jié)按鈕（共2個(gè)）： 用于調(diào)節(jié)本實(shí)驗(yàn)儀閾值電平： p每按一次，閾值電平改變0.02V。儀器 顯示面板顯示為當(dāng)前的閾值電平電壓 值。 p延時(shí)