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1、实验实验7ACCD部分部分实验目的实验目的了解了解CCD工作原理，理解积分时间，驱动工作原理，理解积分时间，驱动频率等相关概念；频率等相关概念；测量积分时间，驱动频率；测量积分时间，驱动频率；观察不同积分时间，驱动频率和光强下物观察不同积分时间，驱动频率和光强下物体的测量；体的测量；测量物体线宽。（测量物体线宽。（CCD的应用）的应用）突出特点：突出特点：以以电荷电荷作为信号作为信号 基本结构：基本结构：一系列排列紧密的一系列排列紧密的MOSMOS电容器电容器 MOS：Metal-Oxide-Semiconductor金属氧化物半导体金属氧化物半导体 P型半导体型半导体金属栅电极金属栅电极MO
2、S结构：结构：CCDCCD的基本单元的基本单元(a)(a)空势阱空势阱 (b) (b)填充填充1/31/3的势阱的势阱 (c) (c)全满势阱全满势阱 在在CCD光电传换的线性效应区内，外加在栅极上的电压愈高，光电传换的线性效应区内，外加在栅极上的电压愈高，势阱愈深；势阱愈深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。MOSMOS电容电容当两个金属栅极足够靠近时，其间隙下的表面势将由当两个金属栅极足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的电位决定，能够使一个两个金属栅极上的电位决定，能够使一个MOS电容器电容器中存储的
3、信号电荷转移到下一个中存储的信号电荷转移到下一个MOS电容器中去。电容器中去。P型半导体型半导体金属栅金属栅电极电极P型半导体型半导体金属栅金属栅电极电极MOSMOS电容器间电荷的转移电容器间电荷的转移电荷转移过程：电荷转移过程：光敏元与光敏元与CCD转移单元一一对应，移位寄存器是遮光的。转移单元一一对应，移位寄存器是遮光的。CCDCCD的结构的结构光敏元光敏元光敏元光敏元MOSMOS电容电荷存储区电容电荷存储区电容电荷存储区电容电荷存储区转移栅转移栅转移栅转移栅MOSMOS电容电荷转移区电容电荷转移区电容电荷转移区电容电荷转移区1. 积分积分光栅电极电压为高电平：光栅电极电压为高电平：信号电
4、荷与光强成正比，与积分时间成正比。信号电荷与光强成正比，与积分时间成正比。转移栅关闭：转移栅关闭：将光敏区与将光敏区与CCD隔开。隔开。入射光图像入射光图像电荷包电荷包“电像电像”CCDCCD的工作过程的工作过程2. 转移转移积分周期结束后，转移栅打开，每一光敏单元势阱内积分周期结束后，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行转移到移位寄存器相应的单元内。的信号电荷并行转移到移位寄存器相应的单元内。（1） 转移准备阶段转移准备阶段转移栅：转移栅：低电平低电平高电平高电平（2）转移阶段）转移阶段光栅：光栅：高电平高电平低电平低电平形成转移沟道形成转移沟道电荷包进入电荷包进入 下势阱下势阱CC
5、D： 高电平，高电平， 、 低电平低电平（3） 转移结束阶段转移结束阶段转移栅：转移栅：高电平高电平低电平低电平CCD：传输传输光栅：光栅：低电平低电平高电平高电平转移沟道关闭转移沟道关闭光敏元进行光敏元进行 下一次积分下一次积分3. 传输传输N个电荷包一次沿着个电荷包一次沿着CCD串行传输。串行传输。4. 计数计数用计数器记录驱动周期的个数。用计数器记录驱动周期的个数。计数到计数到预置值预置值时产生时产生回零脉冲回零脉冲，触发转移栅开启，触发转移栅开启，开始新一行信号转移、传输。开始新一行信号转移、传输。5. 读出读出信号电荷信号电荷输出电路输出电路信号电压信号电压双边传输线阵双边传输线阵C
6、CD具有两列移位寄存器，分别在光敏区的两边。具有两列移位寄存器，分别在光敏区的两边。当转移栅开启时，奇、偶光敏单元势阱中积累的信号当转移栅开启时，奇、偶光敏单元势阱中积累的信号电荷分别移入两列移位寄存器中，然后串行输出，最电荷分别移入两列移位寄存器中，然后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。线阵CCD线阵线阵CCDCCD每次扫描一条线每次扫描一条线CCD工作原理图：工作原理图： CCD驱动脉冲波形图：驱动脉冲波形图：CCD驱动电路的驱动脉冲与输出脉冲波形图：驱动电路的驱动脉冲与输出脉冲波形图： 实验内容和步骤实验内容和步骤 、 记录记录CCD各相
7、应脉冲的频率。各相应脉冲的频率。 、 利用线阵利用线阵CCD实验箱测量给定物品的线宽，并记录波实验箱测量给定物品的线宽，并记录波波形。波形。 注意事项注意事项1.严禁带电插拔严禁带电插拔CCD器件，否则会造成器件，否则会造成CCD器件损坏。器件损坏。2. 示波器与示波器与CCD实验箱应共地。实验箱应共地。 （一）驱动频率观测（一）驱动频率观测 1. 用示波器用示波器CH1探头测试转移脉冲探头测试转移脉冲 ，并调节使之同步，并调节使之同步， 使使 脉宽适当以便于观测。脉宽适当以便于观测。 2. 用探头用探头CH2分别测试分别测试 、 、 信号。信号。3. 按按 的顺序依次改变驱动频率，分别测出的
8、顺序依次改变驱动频率，分别测出 、 、 的周期、频率、幅度，填入表的周期、频率、幅度，填入表72中。中。第一部分第一部分 CCD驱动实验驱动实验 1. 在断电情况下将与本实验有关的线缆正确连接好，严禁带电在断电情况下将与本实验有关的线缆正确连接好，严禁带电 插拔所有电缆线插拔所有电缆线2. 打开打开CCD实验箱电源开关，将实验箱电源开关，将积分时间积分时间设置按钮调整为设置按钮调整为0档档， 将将驱动频率驱动频率调整为调整为0档档。3. 用示波器检查用示波器检查CCD驱动器的各路波形是否正确（参考实验箱驱动器的各路波形是否正确（参考实验箱 面板上时序图）面板上时序图）表表72 驱动频率驱动频率
9、0档档 1档档 2档档 3档档 项目项目 周期（周期（ms）频率（频率（Hz）幅度（幅度（V）周期（周期（ms）频率（频率（Hz）幅度（幅度（V）周期（周期（ms）频率（频率（Hz）幅度（幅度（V）周期（周期（ms）频率（频率（Hz）幅度（幅度（V）（二）积分时间的测量（二）积分时间的测量 1. 将驱动频率设为将驱动频率设为0档，积分时间设为档，积分时间设为0档，将档，将 的周期（即的周期（即积分时间）填入表积分时间）填入表73中。改变积分时间的档位，分别测出不中。改变积分时间的档位，分别测出不同档位下的积分时间。同档位下的积分时间。2. 改变驱动频率，测出不同档位的积分时间，填入表改变驱动频
10、率，测出不同档位的积分时间，填入表73中。中。表表73 驱动频率驱动频率0档档驱动频率驱动频率1档档驱动频率驱动频率2档档驱动频率驱动频率3档档积分时间积分时间 （档）（档） SH 周期周期（ms） 积分时间积分时间 （档）（档） SH 周期周期（ms） 积分时间积分时间 （档）（档） SH 周期周期（ms） 积分时间积分时间 （档）（档） SH 周期周期（ms） 0123012301230123（一）不同频率与不同光强下测量物体的变化（一）不同频率与不同光强下测量物体的变化 第二部分第二部分 CCD特性测试实验特性测试实验 1.将不透光的被测物体（黑片）从开口槽放置到将不透光的被测物体（黑片
11、）从开口槽放置到CCD上面，上面，将积分时间置于将积分时间置于0档档，驱动频率置于，驱动频率置于0档档。用示波器观测。用示波器观测 与与 的关系，并画出波形图。的关系，并画出波形图。 2.将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到CCD上面，上面，改变改变CCD像敏元的照度，将积分时间置于像敏元的照度，将积分时间置于0档档，驱动频率，驱动频率 置于置于0档档。用示波器观测输出信号。用示波器观测输出信号 的波形变化，画出的波形变化，画出 波形图。波形图。 3. 积分时间不变化，改变驱动频率完成积分时间不变化，改变驱动频率完成1，2步骤的实验内容。步骤的实验内
12、容。4. 分析上述实验现象，说明驱动频率与输出信号的变化关系。分析上述实验现象，说明驱动频率与输出信号的变化关系。 （二）不同积分时间与不同光强下测量物体的变化（二）不同积分时间与不同光强下测量物体的变化 1.将不透光的被测物体（黑片）从开口槽放置到将不透光的被测物体（黑片）从开口槽放置到CCD上面，上面，将积分时间置于将积分时间置于0档档，驱动频率置于，驱动频率置于0档档。用示波器观测。用示波器观测 与与 的关系，并画出波形图。的关系，并画出波形图。 2.将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到CCD上面，上面，改变改变CCD像敏元的照度，将积分时间置
13、于像敏元的照度，将积分时间置于0档档，驱动频率，驱动频率 置于置于0档档。用示波器观测输出信号。用示波器观测输出信号 的波形变化，画出的波形变化，画出 波形图。波形图。 3. 驱动频率不变化，改变积分时间完成驱动频率不变化，改变积分时间完成1，2步骤的实验内容。步骤的实验内容。4. 分析上述实验现象，说明积分时间与输出信号的变化关系。分析上述实验现象，说明积分时间与输出信号的变化关系。 第三部分第三部分 CCD输出信号输出信号数据采集及物体宽度的测量输出信号输出信号数据采集及物体宽度的测量 1. 将实验箱的将实验箱的USB端口和计算机端口和计算机USB端口用专用的数据线缆连接；端口用专用的数据
14、线缆连接；2. 运行运行CCD应用软件，如果正常连接，计算机任务栏右下角会有应用软件，如果正常连接，计算机任务栏右下角会有 图标（绿色箭头显示）；图标（绿色箭头显示）； 3.选择选择“开始绘图开始绘图”开始数据采集。主窗口中观察数据采集波形，开始数据采集。主窗口中观察数据采集波形， 上面为二值化的波形，下面为上面为二值化的波形，下面为CCD输出信号波形。输出信号波形。注意：注意：由于数据采集对输入波形信号幅度的要求是由于数据采集对输入波形信号幅度的要求是04V，软件界面上显示的波形幅度也只能在软件界面上显示的波形幅度也只能在04V，与示波器显示值并不相等。，与示波器显示值并不相等。双击波形指定位置，将放大显示该位置的像素幅值大小，每页显示双击波形指定位置，将放大显示该位置的像素幅值大小，每页显示50个像素，个像素，可通过点击右上角小三角符号显示相邻页面的像素。点击可通过点击右上角小三角符号显示相邻页面的像素。点击“还原显示还原显示”回到波形回到波形显示界面。显示界面。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！33
