實(shí)驗(yàn)一  線陣CCD原理與驅(qū)動(dòng)特性

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1、 掌握黑白線陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀的基本操作和功能。

2、 掌握用雙蹤跡示波器觀測(cè)線陣CCD驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率、幅度、周期和各路驅(qū)動(dòng)脈沖之間的相位關(guān)系等測(cè)量方法。

3、 通過(guò)對(duì)典型線陣CCD驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序和相位關(guān)系的觀測(cè)，掌握線陣CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS復(fù)位脈沖與F1、F2驅(qū)動(dòng)脈沖間的相位關(guān)系，分析它對(duì)CCD輸出信號(hào)有何影響？SH轉(zhuǎn)移脈沖與F1、F2驅(qū)動(dòng)脈沖間的相位關(guān)系，掌握電荷轉(zhuǎn)移的幾個(gè)過(guò)程。

二、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備內(nèi)容

1、 學(xué)習(xí)線陣CCD的基本工作原理（參考《圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)》、《光電傳感器應(yīng)用技術(shù)》、《光電技術(shù)》等相關(guān)教材）；

2、 學(xué)習(xí)TCD1206SUP線陣CCD基本工作原理與驅(qū)動(dòng)波形圖（參考附錄）。

3、 根據(jù)線陣CCD的基本工作原理，觀測(cè)轉(zhuǎn)移脈沖SH與F₁、F₂的相位關(guān)系，理解線陣CCD并行轉(zhuǎn)移過(guò)程中信號(hào)電荷從光積分區(qū)轉(zhuǎn)移到移位寄存器的過(guò)程；

4、 觀測(cè)F₁、F₂及F₁與SP、RS間的相位關(guān)系，理解線陣CCD的信號(hào)電荷在上述驅(qū)動(dòng)脈沖作用下如何從移位寄存器串行傳輸出來(lái)以及復(fù)位脈沖RS的作用。

5、 閱讀雙蹤跡示波器的使用說(shuō)明書(shū)，掌握雙蹤跡示波器的基本操作方法，尤其是它的同步調(diào)整，幅度、頻率、時(shí)間與相位的測(cè)量方法；

6、 學(xué)習(xí)、掌握用計(jì)算機(jī)軟件界面設(shè)置線陣CCD的積分時(shí)間與驅(qū)動(dòng)頻率的方法，測(cè)量在不同驅(qū)動(dòng)頻率與積分時(shí)間情況下的F₁、F₂、RS和SH的周期與頻率，以及周期（FC）的測(cè)量方法。

三、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 

1、 MXY7002線陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)；

2、 裝有VC++軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)，或MXY8002 光電技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一臺(tái)；

3、 雙蹤跡同步示波器（推薦使用數(shù)字示波器，帶寬應(yīng)在50MHz以上）一臺(tái)；

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1．實(shí)驗(yàn)預(yù)備

（1） 閱讀線陣CCD實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，閱讀軟件二次開(kāi)發(fā)與參數(shù)設(shè)置的內(nèi)容；了解實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備。

（2） 首先將示波器的地線與實(shí)驗(yàn)儀上的接地線連接好，并確認(rèn)示波器和實(shí)驗(yàn)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(cè)試筆（或稱探頭）待用；

（4） 打開(kāi)示波器的電源開(kāi)關(guān)，選擇自動(dòng)測(cè)試方式，調(diào)整顯示屏上出現(xiàn)的掃描線處于便于觀察的位置；

（5） 將示波器的兩個(gè)測(cè)試筆分別接到示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出端子上，進(jìn)行表筆量程的校準(zhǔn)；

（6） 通過(guò)USB總線將實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)或MXY8002 光電技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的計(jì)算機(jī)的USB輸入端口相連；

（7） 將MXY7002線陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀的電源開(kāi)關(guān)閉合，指示燈被點(diǎn)亮；

（8） 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)軟件程序已經(jīng)安裝到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，若沒(méi)有安裝則應(yīng)按軟件使用說(shuō)明提示的方法安裝實(shí)驗(yàn)軟件程序；

（9） 執(zhí)行原理性實(shí)驗(yàn)軟件，彈出如圖1-1所示的執(zhí)行界面，在積分時(shí)間設(shè)置和驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置中選中你想設(shè)置的參數(shù)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“設(shè)置”，然后點(diǎn)擊“退出”，完成設(shè)置工作。

2．驅(qū)動(dòng)脈沖相位的測(cè)量

（1） 開(kāi)機(jī)后，設(shè)置好線陣CCD的積分時(shí)間和驅(qū)動(dòng)頻率等參數(shù)，將其全部設(shè)置為“0”檔；

（2） 將示波器測(cè)試筆CH₁和CH₂分別接到實(shí)驗(yàn)儀面板上標(biāo)注的各個(gè)脈沖（例如CH₁掃描線在上，CH₂在下），然后用CH₁為同步輸入，對(duì)照“附錄一”所給出的TCD1206的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行下面的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

（3） 將測(cè)試筆CH₁接到儀器面板上的轉(zhuǎn)移脈沖SH輸出端上，先仔細(xì)調(diào)節(jié)示波器的觸發(fā)脈沖電平旋鈕使示波器顯示波形穩(wěn)定，既表示示波器以被SH同步，再調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率“旋鈕”或“按鍵”，使SH脈沖的寬度適合觀測(cè)，以能夠觀察到一個(gè)或二個(gè)周期為佳。然后，用測(cè)試筆CH₂分別接到儀器表面板上標(biāo)有“F₁”與“F₂”字樣的測(cè)試端口，觀測(cè)SH與F₁、F₂的相位關(guān)系，為更清楚地觀測(cè)，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(cè)到SH與F₁、F₂的相位關(guān)系，注意觀測(cè)SH脈沖的下降沿發(fā)生在F₁脈沖的“高”還是“低”電平的位置上；

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

（5） 用測(cè)試筆CH₁探頭接SP信號(hào)輸出端，用CH₂探頭測(cè)量RS，觀測(cè)SP與RS信號(hào)之間的相位關(guān)系。

（6） 將以上測(cè)得的波形與相位關(guān)系與“附錄一”所示TCD1206SUP的驅(qū)動(dòng)波形對(duì)照，分析實(shí)驗(yàn)儀的真正驅(qū)動(dòng)脈沖與手冊(cè)上所給脈沖之差異。

3．驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間測(cè)量

（1） 用示波器分別測(cè)量線陣CCD驅(qū)動(dòng)器的4個(gè)檔位驅(qū)動(dòng)脈沖F₁、F₂和復(fù)位脈沖RS的周期、頻率與幅度等參數(shù)，并分別填入表1-1；

（2） 觀察它們之間的相位關(guān)系，尤其注意復(fù)位脈沖RS與F1之間的相位關(guān)系，分析為什么復(fù)位脈沖RS產(chǎn)生于F1由高變低之后的一段時(shí)間（結(jié)合“圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)”教材4.4節(jié)內(nèi)容討論）；

（3） 觀測(cè)調(diào)整積分時(shí)間設(shè)置時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率f是否跟隨變化？調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率f時(shí)積分時(shí)間t_ing是否跟隨變化？

（4）將CCD的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為“0”檔，積分時(shí)間也設(shè)置為“00”檔。用測(cè)試筆CH1測(cè)FC（以它為同步信號(hào)），用測(cè)試筆CH₂測(cè)量SH，觀察兩者的周期是否相同，記錄FC信號(hào)的周期。通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀面板上的積分時(shí)間和驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)整按鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將不同驅(qū)動(dòng)頻率檔和積分時(shí)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(cè)量。

4．CCD輸出信號(hào)的測(cè)量

（1） 將實(shí)驗(yàn)儀積分時(shí)間設(shè)置為“00”檔，驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置在“0”檔；

（2） 用示波器CH1探頭測(cè)量FC信號(hào)，調(diào)節(jié)示波器掃描頻率，使屏上至少顯示2個(gè)FC的周期波形；用CH₂探頭測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀的黑白線陣CCD的輸出信號(hào)U₀，將實(shí)驗(yàn)儀器頂部的上蓋拿掉，用遮擋部分光路的方式改變?nèi)肷涞?/span>CCD像面上的光強(qiáng)度。觀察U_G的輸出信號(hào)應(yīng)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(hào)U₀的波形將變?yōu)?/span>的直線；

（4） 保持CH1探頭的測(cè)量?jī)?nèi)容不變，打開(kāi)改變積分時(shí)間的軟件，進(jìn)行積分時(shí)間的調(diào)整，先逐漸增加積分時(shí)間，同時(shí)，用CH₂探頭測(cè)量輸出信號(hào)U₀，觀測(cè)輸出信號(hào)在積分時(shí)間改變過(guò)程中的變化情況；

（5） 分別將CH₁探頭接至SH與FC，調(diào)節(jié)示波器使之同步，觀測(cè)SH波形和CCD輸出信號(hào)波形之間的相位關(guān)系。重復(fù)上述步驟觀測(cè)FC波形和CCD輸出波形之間的相位關(guān)系，比較上述兩種相位關(guān)系的差異。

（6） 將實(shí)驗(yàn)儀的上蓋打開(kāi)，將成像物鏡恢復(fù)到初始狀態(tài)（取下鏡頭蓋），將安裝有尺寸測(cè)量棒的底座安放到臺(tái)上的長(zhǎng)方孔處，調(diào)整好成像物鏡的焦距，使示波器能夠觀測(cè)到比較陡直的輸出信號(hào)波形，然后，再觀察積分時(shí)間或驅(qū)動(dòng)頻率的變化對(duì)輸出信號(hào)幅度的影響。

（7） 分析為什么積分時(shí)間的變化會(huì)影響線陣CCD輸出信號(hào)的幅度？

5．結(jié)束與關(guān)機(jī)

完成上述實(shí)驗(yàn)，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?，便可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

（1） 首先將軟件程序退出，再關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

（2） 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；

（3） 關(guān)閉示波器的電源；

（4） 將總電源關(guān)閉；

（5） 將實(shí)驗(yàn)儀器及其用具收拾好，放到位置；

（6） 將所做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師審查，合格后方可離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室。

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，注意說(shuō)明TCD1206SUP的基本工作原理。

2、 說(shuō)明RS脈沖和SP脈沖的作用，輸出信號(hào)U0與F₁、F₂周期的關(guān)系。