线阵CCD特性测试实验 - 图文

本科学生实验报告

学号 姓名

学院 物电学院 专业、班级 12级光电子班 实验课程名称 线性CCD特性测试实验 教师及职称

开课学期 至 2015学年 学期

填报时间 年 4 月 日

云南师范大学教务处编印

一、实验设计方案 实验序号 实验时间 实验名称 2 4月13日 实验室 小组成员 同析3栋216 邬建飞 马子芳 张涛 线性CCD特性测试实验 1．实验目的：通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握CCD的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响。 2． 实验原理、实验流程或装置示意图 两相线阵CCD电荷传输原理示意图如图2-1所示： 图2-1 两相线阵CCD电荷传输原理示意图 每一相有两个电极（即原理中的一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总是存于右边那个势井。图b显示了相位相差180O的驱动脉冲Φ1为高电位，Φ2为低电位时MOS电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示Φ1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动；图d显示了Φ1为低电位，Φ2为高电位时的情况，这时电荷流入Φ2相的势井。当Φ1和Φ2电位再相等时停止流动。 电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随时间的变化遵循指数衰减规律，只有由Φ1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动频率有关。驱动频率越低，输出信号越强。积分时间为光电转换的时间，显然，积分时间越长，光敏区的MOS电容存储的电荷越多，相应输出信号越强。

3．实验设备及材料 1、光电技术创新综合实验平台 1台 2、双踪同步示波器（20MHz以上） 1台 3、线阵CCD模块 1块 4、连接导线 若干 5、光源特性测量模块 1块 6、CCD光路组件 1套 7、航空插座连接线 1根 4．实验方法步骤及注意事项 （一）、不同频率与不同光强下测量物体的变化 1、用航空插座连接线，将CCD光路组件连接到线阵CCD模块。（线阵CCD模块上面的短路块J9的2、3用短路帽连接） 2、将CCD光路组件连接到光源特性测试模块，具体方法是：CCD组件红色迭插头连接到光源特性测试模块的J306台阶插座，黑色的迭插头连接光源特性测试模块的J307台阶插座，光源特性测试模块K301拨到“恒流”，k302拨到“电流源”。按下光源特性测试模块电源开关。 3、将中号物片放入CCD组件的物片窗口（注意保持与CCD组件表面的垂直），打开模块的电源开关。将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于2档，用CH1探头测量SH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，调整光源驱动（光源特性测试模块的W302电位器），使UO信号较为圆滑，观测SH与Uo的关系，并画出其波形图。 4、改变CCD像敏元的照度，观察输出信号UO的波形变化。画出当光强变化时输出信号UO波形图。 5、积分时间不变，改变驱动频率完成1,2步骤的实验内容。 6、分析上述实验现象，并说明驱动频率与输出信号的变化关系。为什么当驱动频率过低时UO无输出信号。 （二）、不同积分时间与不同光强下测量物体的变化 1、将中号物片放入CCD组件的物片窗口（注意保持与CCD组件表面的垂直），打开模块的电源开关。将驱动频率开关置于3档，积分时间开关置于0档，用CH1探头测量SH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，观测SH与Uo的关系，并画出其波形图. 2、改变CCD像敏元的照度（通过调节光源特性测试模块的W302电位器，减小LED面光源光强），观察输出信号U0的波形变化。画出当光强变化时输出信号U0波形图。 3、驱动频率不变化，改变积分时间完成1,2步骤的实验内容。 4、分析上述实验现象，并说明积分时间与输出信号的变化关系。 5、关机结束。关闭线阵CCD模块电源，关闭示波器电源。 5．实验数据处理方法 画图分析法

6．参考文献 [1] 王瑞，孙卫平，李宏兵，基于面阵CCD的激光高速摄影技术在弹道测试中的应用[J].弹箭与制导学报.200,29（5）：197~199. [2] 胡瀚，荣健，CCD的发展现状及展望[J].仪器仪表学报，2005,26（8）：718~720；[3] 李庆祥.实用光电技术[M].北京:中国计量出版社,1996

二．实验报告 1．实验现象与结果

2．对实验现象、实验结果的分析及其结论

3.实验总结 通过本次实验，我们对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量有了一定的了解，进一步掌握了CCD的有关特性，由于条件的限制，我们的实验不是太顺利，但最终经过我们小组成员的共同努力我们还是得出了实验结果。 指导教师评语及评分： 签名： 年 月 日

1、实验设计方案 实验序号 实验时间 实验名称 2 4月13日 实验室 小组成员 同析3栋216 邬建飞 马子芳 张涛 线性CCD的AD数据采集 1． 实验目的 1、掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理； 2、进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系； 3、进一步掌握线阵CCD驱动频率与光照灵敏度的关系； 4、掌握CCD软件的开启方法，为后面的测量实验做准备。 2． 实验原理、实验流程或装置示意图 线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍模块所采用的8位并行接口方式的数据采集基本工作原理。 如图4-1所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统。以单片机完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令对单片机复位。单片机等待SH上升沿（对应于CCD第一个有效输出信号）触发AD开始工作，AD器件则通过RS信号完成对每个像元的同步采样，A/D转换输出的8位数字信号则存储在静态缓存器件（IDT72241）中，当一帧像元的数据转换完成后，单片机（U29）会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器和存储器的工作。单片机（U23）将此帧像元的数据进行处理，并通过USB接口芯片将采集信号送给计算机软件进行相关显示处理。当软件读取并处理完一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。 单片机89S51（ U29 ）CCD输出信号A/DTLC5510缓存IDT72241单片机89S51（ U23 ）USB传输CH372计算机 图4-1 线阵CCD数据采集系统 3．实验设备及材料 1、光电技术创新综合实验平台 1台 2、双踪同步示波器（20MHz以上） 1台 3、线阵CCD模块 1块 4、连接导线 若干 5、光源特性测量模块 1块 6、CCD光路组件 1套 7、航空插座连接线 1根 8、USB数据连接线 1根

4．实验方法步骤及注意事项 1、用航空插座连接线，将CCD光路组件连接到线阵CCD模块。（线阵CCD模块上面的短路块J9的2、3用短路帽连接） 2、将CCD光路组件连接到光源特性测试模块，具体方法是：CCD组件红色迭插头连接到光源特性测试模块的J306台阶插座，黑色的迭插头连接光源特性测试模块的J307台阶插座，光源特性测试模块K301拨到“恒流”，k302拨到“电流源”。按下光源特性测试模块电源开关。 3、打开计算机电源，完成系统启动后进入下面的操作。 4、按下线阵CCD模块电源开关，用示波器测量Φ1、Φ2、RS、SH等各路驱动脉冲的波形是否正确。如果与实验一所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。 5、检查UO波形是否与实验二、实验三一致。否则，应请指导教师检查。 6、关闭线阵CCD模块电源开关，用USB数据线连接线阵CCD模块和电脑。 7、打开线阵CCD模块电源开关，如果连接正常，电脑会提示发现新的硬件，按照提示加载USB驱动程序。 8、安装成功后运行CCD应用软件，如果显示打开设备失败，应请指导教师检查。 9、正确打开软件后，设置阈值设定数值为200，无效像元设置为500，按“开始绘图”看到有采集到得CCD输出的波形后即完成实验，表明AD转换成功。 10、关闭软件，在计算机上停止USB设备，关闭线阵CCD模块电源，关闭电脑，还原线阵CCD模块的结构件。 注：波形的好坏和以下几个因素有关系，请耐心调解 （1）光源亮度大小，太亮可能造成ccd输出饱和。请通过旋转光源特性测试模块上的W302电位器旋钮来调节。 （2）本模块使用的PSD传感器尺寸有限，如果物体滑动到PSD传感器边缘，由于光线散射，可能采集图形不准，物体必须放在孔的中间，且与孔的边缘垂直，待波形稳定。 （3）如若没有图形或图形异常，请将软件关闭，重新打开。 5．实验数据处理方法 画图分析法 6．参考文献 [1] 雷志勇，姜寿山，线阵CCD技术及其在靶场测试中的应用[J]，西安工业学院学报，2002,22（3）；220~224. [2] 董文娟，王宏义，黄宗福等，基于CDD拖尾特性的空间目标单帧监测方法[J]。信号处理，200,4:30~34，25（5）：807~810. [3] 刘同波.激光勘测速仪的设计及实现[J]，大连理工大学.2006.6.

二．实验报告 1．实验现象与结果

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