线阵CCD原理与驱动特性

一、实验目的

   1、掌握黑白线阵CCD多功能实验仪的基本操作和功能。

2、 掌握用双踪迹示波器观测线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等测量方法。

3、 通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握线阵CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS复位脉冲与F1、F2驱动脉冲间的相位关系，分析它对CCD输出信号有何影响？SH转移脉冲与F1、F2驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。

二、实验前准备内容

1、 学习线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》、《光电传感器应用技术》、《光电技术》等相关教材）；

2、 学习TCD1206SUP线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录）。

3、 根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F₁、F₂的相位关系，理解线阵CCD并行转移过程中信号电荷从光积分区转移到移位寄存器的过程；

4、 观测F₁、F₂及F₁与SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的信号电荷在上述驱动脉冲作用下如何从移位寄存器串行传输出来以及复位脉冲RS的作用。

5、 阅读双踪迹示波器的使用说明书，掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步调整，幅度、频率、时间与相位的测量方法；

6、 学习、掌握用计算机软件界面设置线阵CCD的积分时间与驱动频率的方法，测量在不同驱动频率与积分时间情况下的F₁、F₂、RS和SH的周期与频率，以及周期（FC）的测量方法。

三、实验所需仪器设备 

1、 MXY7002线阵CCD多功能实验仪一台；

2、 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台，或MXY8002 光电技术应用开发综合实验平台一台；

3、 双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在50MHz以上）一台；

四、实验内容及步骤

1．实验预备

（1） 阅读线阵CCD实验指导，阅读软件二次开发与参数设置的内容；了解实验所需的仪器设备。

（2） 首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V电源插座上；

（3） 取出双踪迹同步示波器的测试笔（或称探头）待用；

（4） 打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；

（5） 将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准信号输出端子上，进行表笔量程的校准；

（6） 通过USB总线将实验仪与计算机或MXY8002 光电技术应用开发综合实验平台中的计算机的USB输入端口相连；

（7） 将MXY7002线阵CCD多功能实验仪的电源开关闭合，指示灯被点亮；

（8） 启动计算机，确认实验软件程序已经安装到计算机系统内，若没有安装则应按软件使用说明提示的方法安装实验软件程序；

（9） 执行原理性实验软件，弹出如图1-1所示的执行界面，在积分时间设置和驱动频率设置中选中你想设置的参数，用鼠标点击“设置”，然后点击“退出”，完成设置工作。

2．驱动脉冲相位的测量

（1） 开机后，先按图1-1的界面设置好线阵CCD的积分时间和驱动频率等参数，将其全部设置为“0”档；

图1-1

（2） 将示波器测试笔CH₁和CH₂分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲（例如CH₁扫描线在上，CH₂在下），然后用CH₁为同步输入，对照“附录一”所给出的TCD1206的驱动波形进行下面的测试实验。

（3） 将测试笔CH₁接到仪器面板上的转移脉冲SH输出端上，先仔细调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，既表示示波器以被SH同步，再调节示波器的扫描频率“旋钮”或“按键”，使SH脉冲的宽度适合观测，以能够观察到一个或二个周期为佳。然后，用测试笔CH₂分别接到仪器表面板上标有“F₁”与“F₂”字样的测试端口，观测SH与F₁、F₂的相位关系，为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使SH的正脉冲展宽，能清楚地观测到SH与F₁、F₂的相位关系，注意观测SH脉冲的下降沿发生在F₁脉冲的“高”还是“低”电平的位置上；

（4） 将测试笔CH₁移至F₁信号输出端，用示波器探头CH₂分别测量F₂、RS、、SP信号，观测F₁与F₂、RS、、SP信号之间的相位关系，注意RS脉冲与F₁、F₂的边沿位置关系。

（5） 用测试笔CH₁探头接SP信号输出端，用CH₂探头测量RS，观测SP与RS信号之间的相位关系。

（6） 将以上测得的波形与相位关系与“附录一”所示TCD1206SUP的驱动波形对照，分析实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异。

3．驱动频率和积分时间测量

（1） 用示波器分别测量线阵CCD驱动器的4个档位驱动脉冲F₁、F₂和复位脉冲RS的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表1-1；

（2） 观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲RS与F1之间的相位关系，分析为什么复位脉冲RS产生于F1由高变低之后的一段时间（结合“图像传感器应用技术”教材4.4节内容讨论）；

（3） 观测调整积分时间设置时驱动频率f是否跟随变化？调整驱动频率f时积分时间t_ing是否跟随变化？

（4）将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“00”档。用测试笔CH1测FC（以它为同步信号），用测试笔CH₂测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。表1-2只列出16档，其余档次可以自行添加测量。

4．CCD输出信号的测量

（1） 将实验仪积分时间设置为“00”档，驱动频率设置在“0”档；

（2） 用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示2个FC的周期波形；用CH₂探头测量实验仪的黑白线阵CCD的输出信号U₀，将实验仪器顶部的上盖拿掉，用遮挡部分光路的方式改变入射到CCD像面上的光强度。观察U_G的输出信号应该有所变化；

（3） 若将成像物镜遮挡大部或干脆全部盖住，输出信号U₀的波形将变为的直线；

（4） 保持CH1探头的测量内容不变，打开改变积分时间的软件，进行积分时间的调整，先逐渐增加积分时间，同时，用CH₂探头测量输出信号U₀，观测输出信号在积分时间改变过程中的变化情况；

（5） 分别将CH₁探头接至SH与FC，调节示波器使之同步，观测SH波形和CCD输出信号波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系，比较上述两种相位关系的差异。

（6） 将实验仪的上盖打开，将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖），将安装有尺寸测量棒的底座安放到台上的长方孔处，调整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形，然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响。

（7） 分析为什么积分时间的变化会影响线阵CCD输出信号的幅度？

5．结束与关机

完成上述实验，并达到实验目的后，便可结束实验。

（1） 首先将软件程序退出，再关闭计算机系统；

（2） 关闭实验仪的电源；

（3） 关闭示波器的电源；

（4） 将总电源关闭；

（5） 将实验仪器及其用具收拾好，放到位置；

（6） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。

五、实验总结与实验报告

1、 写出实验总结报告，注意说明TCD1206SUP的基本工作原理。

2、 说明RS脉冲和SP脉冲的作用，输出信号U0与F₁、F₂周期的关系。