線陣CCD原理與驅動特性

一、實驗目的

   1、掌握黑白線陣CCD多功能實驗儀的基本操作和功能。

2、 掌握用雙蹤跡示波器觀測線陣CCD驅動脈沖的頻率、幅度、周期和各路驅動脈沖之間的相位關系等測量方法。

3、 通過對典型線陣CCD驅動脈沖的時序和相位關系的觀測，掌握線陣CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS復位脈沖與F1、F2驅動脈沖間的相位關系，分析它對CCD輸出信號有何影響？SH轉移脈沖與F1、F2驅動脈沖間的相位關系，掌握電荷轉移的幾個過程。

二、實驗前準備內容

1、 學習線陣CCD的基本工作原理（參考《圖像傳感器應用技術》、《光電傳感器應用技術》、《光電技術》等相關教材）；

2、 學習TCD1206SUP線陣CCD基本工作原理與驅動波形圖（參考附錄）。

3、 根據線陣CCD的基本工作原理，觀測轉移脈沖SH與F₁、F₂的相位關系，理解線陣CCD并行轉移過程中信號電荷從光積分區轉移到移位寄存器的過程；

4、 觀測F₁、F₂及F₁與SP、RS間的相位關系，理解線陣CCD的信號電荷在上述驅動脈沖作用下如何從移位寄存器串行傳輸出來以及復位脈沖RS的作用。

5、 閱讀雙蹤跡示波器的使用說明書，掌握雙蹤跡示波器的基本操作方法，尤其是它的同步調整，幅度、頻率、時間與相位的測量方法；

6、 學習、掌握用計算機軟件界面設置線陣CCD的積分時間與驅動頻率的方法，測量在不同驅動頻率與積分時間情況下的F₁、F₂、RS和SH的周期與頻率，以及周期（FC）的測量方法。

三、實驗所需儀器設備 

1、 MXY7002線陣CCD多功能實驗儀一臺；

2、 裝有VC++軟件及相關實驗軟件的PC計算機一臺，或MXY8002 光電技術應用開發綜合實驗平臺一臺；

3、 雙蹤跡同步示波器（推薦使用數字示波器，帶寬應在50MHz以上）一臺；

四、實驗內容及步驟

1．實驗預備

（1） 閱讀線陣CCD實驗指導，閱讀軟件二次開發與參數設置的內容；了解實驗所需的儀器設備。

（2） 首先將示波器的地線與實驗儀上的接地線連接好，并確認示波器和實驗儀的電源插頭均已插入交流220V電源插座上；

（3） 取出雙蹤跡同步示波器的測試筆（或稱探頭）待用；

（4） 打開示波器的電源開關，選擇自動測試方式，調整顯示屏上出現的掃描線處于便于觀察的位置；

（5） 將示波器的兩個測試筆分別接到示波器的標準信號輸出端子上，進行表筆量程的校準；

（6） 通過USB總線將實驗儀與計算機或MXY8002 光電技術應用開發綜合實驗平臺中的計算機的USB輸入端口相連；

（7） 將MXY7002線陣CCD多功能實驗儀的電源開關閉合，指示燈被點亮；

（8） 啟動計算機，確認實驗軟件程序已經安裝到計算機系統內，若沒有安裝則應按軟件使用說明提示的方法安裝實驗軟件程序；

（9） 執行原理性實驗軟件，彈出如圖1-1所示的執行界面，在積分時間設置和驅動頻率設置中選中你想設置的參數，用鼠標點擊“設置"，然后點擊“退出"，完成設置工作。

2．驅動脈沖相位的測量

（1） 開機后，先按圖1-1的界面設置好線陣CCD的積分時間和驅動頻率等參數，將其全部設置為“0"檔；

圖1-1

（2） 將示波器測試筆CH₁和CH₂分別接到實驗儀面板上標注的各個脈沖（例如CH₁掃描線在上，CH₂在下），然后用CH₁為同步輸入，對照“附錄一"所給出的TCD1206的驅動波形進行下面的測試實驗。

（3） 將測試筆CH₁接到儀器面板上的轉移脈沖SH輸出端上，先仔細調節示波器的觸發脈沖電平旋鈕使示波器顯示波形穩定，既表示示波器以被SH同步，再調節示波器的掃描頻率“旋鈕"或“按鍵"，使SH脈沖的寬度適合觀測，以能夠觀察到一個或二個周期為佳。然后，用測試筆CH₂分別接到儀器表面板上標有“F₁"與“F₂"字樣的測試端口，觀測SH與F₁、F₂的相位關系，為更清楚地觀測，可以將示波器的掃描頻率加快，使SH的正脈沖展寬，能清楚地觀測到SH與F₁、F₂的相位關系，注意觀測SH脈沖的下降沿發生在F₁脈沖的“高"還是“低"電平的位置上；

（4） 將測試筆CH₁移至F₁信號輸出端，用示波器探頭CH₂分別測量F₂、RS、、SP信號，觀測F₁與F₂、RS、、SP信號之間的相位關系，注意RS脈沖與F₁、F₂的邊沿位置關系。

（5） 用測試筆CH₁探頭接SP信號輸出端，用CH₂探頭測量RS，觀測SP與RS信號之間的相位關系。

（6） 將以上測得的波形與相位關系與“附錄一"所示TCD1206SUP的驅動波形對照，分析實驗儀的真正驅動脈沖與手冊上所給脈沖之差異。

3．驅動頻率和積分時間測量

（1） 用示波器分別測量線陣CCD驅動器的4個檔位驅動脈沖F₁、F₂和復位脈沖RS的周期、頻率與幅度等參數，并分別填入表1-1；

（2） 觀察它們之間的相位關系，尤其注意復位脈沖RS與F1之間的相位關系，分析為什么復位脈沖RS產生于F1由高變低之后的一段時間（結合“圖像傳感器應用技術"教材4.4節內容討論）；

（3） 觀測調整積分時間設置時驅動頻率f是否跟隨變化？調整驅動頻率f時積分時間t_ing是否跟隨變化？

（4）將CCD的驅動頻率設置為“0"檔，積分時間也設置為“00"檔。用測試筆CH1測FC（以它為同步信號），用測試筆CH₂測量SH，觀察兩者的周期是否相同，記錄FC信號的周期。通過實驗儀面板上的積分時間和驅動頻率的調整按鈕進行調節，并將不同驅動頻率檔和積分時間檔次下的FC周期填入下表1-2中。表1-2只列出16檔，其余檔次可以自行添加測量。

4．CCD輸出信號的測量

（1） 將實驗儀積分時間設置為“00"檔，驅動頻率設置在“0"檔；

（2） 用示波器CH1探頭測量FC信號，調節示波器掃描頻率，使屏上至少顯示2個FC的周期波形；用CH₂探頭測量實驗儀的黑白線陣CCD的輸出信號U₀，將實驗儀器頂部的上蓋拿掉，用遮擋部分光路的方式改變入射到CCD像面上的光強度。觀察U_G的輸出信號應該有所變化；

（3） 若將成像物鏡遮擋大部或干脆全部蓋住，輸出信號U₀的波形將變為的直線；

（4） 保持CH1探頭的測量內容不變，打開改變積分時間的軟件，進行積分時間的調整，先逐漸增加積分時間，同時，用CH₂探頭測量輸出信號U₀，觀測輸出信號在積分時間改變過程中的變化情況；

（5） 分別將CH₁探頭接至SH與FC，調節示波器使之同步，觀測SH波形和CCD輸出信號波形之間的相位關系。重復上述步驟觀測FC波形和CCD輸出波形之間的相位關系，比較上述兩種相位關系的差異。

（6） 將實驗儀的上蓋打開，將成像物鏡恢復到初始狀態（取下鏡頭蓋），將安裝有尺寸測量棒的底座安放到臺上的長方孔處，調整好成像物鏡的焦距，使示波器能夠觀測到比較陡直的輸出信號波形，然后，再觀察積分時間或驅動頻率的變化對輸出信號幅度的影響。

（7） 分析為什么積分時間的變化會影響線陣CCD輸出信號的幅度？

5．結束與關機

完成上述實驗，并達到實驗目的后，便可結束實驗。

（1） 首先將軟件程序退出，再關閉計算機系統；

（2） 關閉實驗儀的電源；

（3） 關閉示波器的電源；

（4） 將總電源關閉；

（5） 將實驗儀器及其用具收拾好，放到位置；

（6） 將所做實驗數據交于實驗指導老師審查，合格后方可離開實驗室。

五、實驗總結與實驗報告

1、 寫出實驗總結報告，注意說明TCD1206SUP的基本工作原理。

2、 說明RS脈沖和SP脈沖的作用，輸出信號U0與F₁、F₂周期的關系。