CCD实验报告

《光电系统课程设计》

实验报告

班级： 学号：姓名：

2010年 12

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月

实验一 线阵CCD原理及驱动

一、 实验目的

1.掌握本实验仪的基本操作和功能。

2.掌握用双踪迹示波器观测二相线阵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的测量方法。

3.线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲在CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。

二、 实验所需仪器设备

1.双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。 2.彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV一台。

三、 实验内容及步骤

1.实验预备

1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均插入交

流220V插座上。

2） 打开示波器电源。

3） 打开YHCCD－IV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束

后显示为“00 0”字样，前两位表示积分时间档次值，共分为32档，显示数值范围由

“00”~“31” ，数值越 大表示积分时间越长。末位表示CCD的驱动频率，分4档，显示数值范围“0”~“3”，数值越大表示驱动频率越低。

2.驱动脉冲相位的测量

1） 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。对照“附录”中TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。

2） 用CH1探头测量转移脉冲SH，仔细调节使之稳定（同步），使SH脉冲宽度适当以便于观察。（将示波器的扫描频率调至2μs档左右，便于观察对照）用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2，这就是SH与F1、F2的相位关系。

3） 用CH1探头测量F1信号，CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，这就是F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。

4）用CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP，这就是CP与RS、SP信号之间的相位关系。 5） 将以上所测的相位关系与TCD2252D的驱动波形相对照。

3.驱动频率和积分时间测量

1） 用示波器分别测量4档驱动频率下F1、F2、RS信号的周期，并计算信号频率填入表1-1。

表1-1 驱动频率与周期 驱动频率 0档 1档 2档

项目 周期（μs） 频率 (KHZ) 周期（μs） 频率 (KHZ) 周期（μs） F1 8 125 16 62.51 32 2

F2 8 125 16 62.49 32 RS 4 250 8 125 16 频率 (KHZ) 3档

周期（μs） 频率 (KHZ) 31.25 64 15.62 31.25 64 15.62 62.5 32 31.25 2） 将实验仪的频率设置恢复为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。用CH1做观测FC信号的同步（示波器扫描频率调至2ms左右，便于观察），用CH2测量SH信号，观察两者的周期是否相同，记录FC信号周期。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10档，其余档次可以自行添加测量。

表1-2 积分时间的测量

驱动频率0档 驱动频率1档 FC周期（ms） 23.56 25.60 27.64 29.72 31.76 33.80 35.84 37.88 39.92 41.96 驱动频率2档 积分时间（档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 FC周期（ms） 47.12 51.20 55.28 59.36 63.52 67.60 71.68 75.76 79.84 84.00 驱动频率3档 积分时FC周期间（档） （ms） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 94.20 102.40 110.60 118.80 127.00 135.20 143.40 151.40 169.80 168.00 积分时FC周期积分时间间（档） （ms） （档） 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 11.78 12.80 13.84 14.88 15.88 16.88 17.92 18.96 20.00 21.00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 4.CCD输出信号的测量 1） 将实验仪积分时间设置恢复为“00”档，驱动频率设置在“0”档。

2） 用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器显示至少2个FC周期； CH2探头测量实验仪的UG输

出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。

3） 进一步缩小镜头光圈，观测UG的波形变化，当UG的输出在小于3V时停止调整镜头光圈，盖上

仪器盖板。

4） 保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在

积分时间改变时的信号变化。

5） 调节示波器扫描速度，展开SH信号，观测SH波形和CCD输出波形之间的相位关系。 6） 重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。

7） 打开实验仪上盖板，将测量片夹B插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测CCD输出波形的变化。

思考及设计

1.写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

答：线阵CCD由广电二极管组成光敏区，转移栅，模拟寄存器 以及其他一些控制电路组成。光敏区把射在其上的光能转换为电能；转化出的电荷量的多少和入射在相应光电管上的光强及积分时间有关，因此可以用电荷量的多少反映原图像信息。与此同时，转移栅把光敏区产生的电荷进行转移，以便变成方便利用的电压信号。为了让电荷的转移快速准确的进行，就必须有外电路进行控制。这就是CCD的驱动电路，而CCD模拟寄存器的功能是把转移过来的电荷保存并向外输出。剩余的电路就是使CCD的

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输出能保持稳定。

2.说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。

答：当SH脉冲为高电平时，1,ABφ脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。这样，SH的深势阱使1,ABφ电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器1,ABφ电极下的势阱中。当SH由高变低时，SH低电平形成的浅势阱（也可以称为势垒）将存储栅下的势阱与1,ABφ电极下的势阱隔离开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在1,ABφ与2,ABφ脉冲的作用下驱动信号电荷进入定向转移。最初由存储栅转移到1,ABφ电极下势阱中的信号电荷将向左转移进入2,ABφ电极下势阱中，而后再转移至1,ABφ电极下势阱中，一位位地向左转移，最后经过输出电路由OS端输出哑元信号和2700个有效像元信号。由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号（所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分）；然后输出48个哑元信号（指被遮光的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号），再输出3个信号（这3个信号可因为光的斜射而产生电荷信号的输出，但不能作为有效信号）；最后才连续输出～的有效像素单元信号。信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检验信号，之后便是没有信号的空驱动信号。空驱动数目可以是任意的，但必须大于0，否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个SH周期中至少要有1388个1S2700S2700S1,ABφ脉冲。即，T为驱动脉冲11388SHTT 1,ABφ的周期。图中的RS为加在复位场效应管栅极上的复位脉冲，其复位原理参见有关参考书。每复位一次就输出一个像敏单元的信号，在器件的输出端输出OS信号

3.解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。

答：因为同一束光中包含绿光、蓝光、红光的强度存在差异，而不同颜色的光频率不同，激发产生的电子数也不同，因此RS抽走的电荷包的数目存在差异。所以，相同光源亮度下，出现的信号幅度会有差异。

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实验二 线阵CCD特性测量实验

一、实验目的

通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号测量，进一步掌握线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。

二、实验准备内容

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TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）。 3.通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。

三、实验所需仪器设备

1.双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。 2.彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV一台。 四、实验内容及步骤 1.实验预备

1） 首先将示波器地线与多功能实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和多功能实验仪的电源

插头均插入交流220V插座上。

2） 打开示波器电源开关。

3） 打开YHCCD－IV的电源开关，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与

“附录”中所示波形对比。如果与附图3所示的波形相符，相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。

2.驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量

1） 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。 2） 将实验仪驱动频率设置为“0”档。

3）CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个FC周期，CH2探头测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号

4）调节镜头光圈，使之逐渐缩小，观测Uo信号的变化，将光圈调整至UG信号刚好接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。

5）保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“1”档，调节示波器使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，观测CCD输出信号的变化。

6）续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相应记录。

3.积分时间与输出信号测量

1）保持实验仪其他设置不变，只将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。

2）用CH1探头测量FC脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。 3）调节积分时间设置按钮逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度(VH是高电平，VL是低电平) 填入表2-1。表2-1填满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo为纵坐标画输出特性曲线，观察CCD的输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出信号的如何？

4）驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9ci2.html