光电子技术与仪器实验指导书实验一 线阵 CCD 原理及驱动实验一、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、 通过对典型线阵 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 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》教材） ，阅读双踪迹示波器的使用说明书2、 学习 TCD2252D 线阵 CCD 基本工作原理与驱动波形图（参考附录） 3、 掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法4、 根据线阵 CCD 的基本工作原理，观测转移脉冲 SH 与 F1（CR1 ） 、F2（CR2）的相位关系，理解线阵 CCD 的并行转移过程观测 F1 与 F2 及 F1 与 CP、SP、RS 间的相位关系，理解线阵 CCD 的串行传输过程和复位脉冲 RS 的作用5、 测量 CCD 在不同驱动频率的情况下的 F1 与 F2、F1 、RS 的周期与频率值，以及它的行周期（FC ）值。
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 YHLCCD－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已插入交流 220V 的电源插座上；（2） 取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流 220V 的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；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；（3） 将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；2（4） 打开 YHLCCD－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，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示 CCD 的驱动频率档位值积分时间共分为 32 档，显示数值范围由“00”~“31” ，数值越大表示积分时间越长积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的挡位加一操作，按动标有“－” 号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD 的驱动频率档位值共有 4 档，分别显示数值为“0”~“3” ， “0”挡位下的驱动频率最高， “1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然， “3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的 1/8；2．驱动脉冲相位的测量（1） 将示波器测试笔 CH1 和 CH2 的扫描线调整至适当位置后，用 CH1 为同步信号输入端。
对照“附录一”TCD2252D 的驱动波形进行下面的实验2） 用测试笔 CH1 接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步） ，使 SH 脉冲宽度适当（将示波器的扫描频率调至 2s 左右）以便于观察用测试笔 CH2 分别接到仪器表面标有“F1”与“F2” （驱动脉冲）字样的测试端口，观测 SH 与 F1、F2 的相位关系；（3） 再用测试笔 CH1 测量 F1 信号， CH2 探头分别测量 F2、RS 、CP、SP 信号，观测 F1 与 F2、RS、CP 、SP 信号之间的相位关系4） 用测试笔 CH1 探头测量 CP 信号，CH2 探头分别测量 RS、SP，观测 CP 与RS、SP 信号之间的相位关系5） 将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示 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 档位下的驱动脉冲 F1、F2、复位 RS 信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入表 1-12）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（以它作同步） ，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，并驱动频率 项目 F1 F2 RS周期（μs） 1.000 1.000 500.0ns0 档频率（KHz） 1.000MHz 1.000MHz 2.000MHz周期（μs） 2.000 2.000 1.0001 档频率（KHz） 500.0 500.0 1.000MHz周期（μs） 4.000 4.000 2.0002 档频率（KHz） 250.0 250.0 500.0周期（μs） 8.000 8.000 4.0003 档频率（KHz） 125.0 125.0 250.0表 1-1 驱动频率与周期3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） 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重复上述步骤观测 FC 波形和 CCD 输出波形之间的相位关系6） 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5．关机结束（1）关闭实验仪2）关闭示波器3）关闭电源五、实验总结1、 写出实验总结报告，注意说明 TCD2252D 的基本工作原理2、 说明 RS 脉冲、SP 脉冲和 CP 脉冲的作用，输出信号与 F1、F2 周期的关系驱动频率 0 档 驱动频率 1 档 驱动频率 2 档 驱动频率 3 档积分时间（档）FC 周期（ms）积分时间（档）FC 周期（ms ）积分时间（档）FC 周期（ms）积分时间（档）FC 周期（ms）00 1.470 00 2.940 00 5.900 00 11.8001 1.600 01 3.200 01 6.400 01 12.8002 1.740 02 3.480 02 6.920 02 13.9003 1.860 03 3.720 03 7.440 03 14.8004 1.980 04 3.960 04 7.960 04 16.0005 2.120 05 4.240 05 8.440 05 17.0006 2.240 06 4.480 06 8.960 06 18.0007 2.380 07 4.760 07 9.480 07 19.0008 2.500 08 5.000 08 10.00 08 20.0009 2.630 09 5.260 09 10.52 09 21.0010 2.760 10 5.520 10 11.02 10 22.0011 2.880 11 5.760 11 11.40 11 23.0012 3.000 12 6.000 12 12.20 12 24.1013 3.160 13 6.260 13 12.60 13 25.2014 3.280 14 6.520 14 13.10 14 26.2015 3.400 15 6.760 15 13.60 15 27.20表 1-2 积分时间的测量43、解释为何在同样的光源亮度下会出现 UR、U G、U B 信号的幅度差异。
六、注意事项为了确保本实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必 要的参考资料明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验2、实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果3、要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机并行接口数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张6、 所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电7、一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况故障排除之后方可继续实验实验二 线阵 CCD 基本特性的测量实验一、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输出信号的测量，进一步掌握线阵 CCD 的基本特性，加深积分时间对 CCD 输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。
正确理解线阵 CCD 器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应二、实验准备内容1、 学习掌握线阵 CCD 的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材的相关章节） 52、 学习掌握 TCD2252D 线阵 CCD 基本工作原理（参考附录一中的特性参数表） 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 的基本特性特别注意对积分时间、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 YHLCCD－IV 一台四、实验内容及步骤1．实验预备（1） 首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，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，调整好示波器3） 打开 YHLCCD－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“附录一”中所示波形对比应该与附图 3 所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，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 的扫描线调整至适当位置，设置 CH1 所测信号为同步信号2） 将实验仪 CCD 的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡3） 用 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 个稳定的 FC 周期，用测试笔 CH2 测量 Uo(泛指 UR、U G、U B)信号4） 调整 CCD 成像物镜镜头的光圈，观测 Uo 信号幅度的变化，将光圈调整至UG 信号接近“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） 维持示波器探头不动，使 FC 脉冲始终保持显示至少 2 个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，观测 CCD 输出信号的变化6） 继续调节驱动频率至“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。