声光效应线阵ccd测试仪设计毕业论文.doc

目录 I 声光效应线阵声光效应线阵ccdccd测试仪设计毕业论文测试仪设计毕业论文 目录目录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目录目录 III 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究的背景和意义 2 1 3 国内外研究现状及发展趋势 2 1 4 本设计的目的及内容 3 第二章第二章 测试系统的设计测试系统的设计 5 2 1 测试系统总体描述 5 2 1 1 测试系统基本原理 5 2 1 2 声光效应线阵 CCD 测试仪 5 2 2 光源的选择 6 2 3 声光效应与声光调制 7 2 3 1 声光效应原理 7 2 3 2 声光效应分类 9 2 3 3 声光调制器 10 2 4 CCD 检测技术 11 2 4 1 CCD 的组成部分 11 2 4 2 CCD 的工作原理 12 2 4 3 CCD 的基本特性参数 15 2 4 4 CCD 器件的选择 16 第三章第三章 测试硬件电路系统测试硬件电路系统 25 3 1 信号处理电路 25 3 2 数据采集系统 28 3 3 TLC2543 串行 A D 转换器 28 目录 II 3 3 1 TLC2543C 简介 28 3 3 2 TLC2543C 的主要性能 29 3 3 3 TLC2543C 的转换过程 29 3 4 USB 通讯模块 30 第四章第四章 测试系统软件设计测试系统软件设计 32 第五章第五章 实验数据记录及处理实验数据记录及处理 34 总结和展望总结和展望 38 参考文献参考文献 39 致致 谢谢 40 附录附录 41 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 引言 电荷祸合器件 CCD Char罗CoupledDeviee 是一种以电荷包的形式存储和 传递信息的半导体器件 它是由美国贝尔实验室的W 5 Byoel和GE smiht在 1970年前后发明的 它经历了以研究为主的发展阶段 在五年左右的时间内 建 立了以一维空阱模型为基础的CCD基本理论 这个理论与实验结果大致相 符 满足了指导器件进一步发展的需要 与此同时 依靠成熟的MOS集成电路 工艺 CCD迅速从实验室走向了市场 CCD在影像传感 信号处理和数字存储等 三大领域中的广泛应用 充分显示出它的巨大潜力 在微电子学技术中独树一 帜 CCD已被普遍认为是七十年代以来出现的最重要的半导体器件之一 和同样功能的电真空器件相比 CCD作为一种自扫描式光电接收器件 它 有体积小 重量轻 分辨率高 灵敏度高 动态范围宽 工作电压低 功耗小 寿命长 抗震性和抗冲击性好 不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点 因 此它在科研 教育 医学 商业 工业 军事及消费等诸多领域都得到了广泛 应用 已经成为图像采集及数字化处理必不可少的器件 信息时代离不开语言 文字 图像的实时获取与交流 如果把多媒体 各种网络和信息高速公路作为 一个整体 那么CCD是它们的眼睛 是全球实时信息技术的关键器件 当前我 们的CCD生产技术相对较弱 也缺乏一种完善的测试 评价CCD性能的系统 而 CCD的种类越来越多 应用越来越广 如何正确地选择和使用CCD是我们所要面 对的问题 根据我们的调查 还没有发现国内关于如何测试和评价 CCD 性能方面的研究结果 随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高 高精度 高效率 非接触在线检测已成为检测行业的发展方向 它可以大大地解放劳动力 达到 提高生产效率和产品质量 降低成本地目的 CCD伴随着计算机技术地迅速发 展 在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注 尤其是CCD所具有的体 积小 重量轻 结构简单 功耗低 便于数字化等一系列优点 更使其在检测 方面的应用越来越广泛 光电传感器技术是未来探测技术的发展方向 综合利 用近代各种先进技术 采用光电方法对各种光的 非光的物理量进行检测是光 第一章 绪论 2 电检测技术的基本内容 其基本组成部分为 光源 投光器 被检测对象及光 信号的形成 光信号的匹配处理 光电转换 电信号的放大与处理 微机 控 制系统和显示等部分 如图1 1所示 图1 1 光电检测系统框图 1 2 课题研究的背景和意义 研究基于 CCD的扫描技术的意义在于 它能快速方便地将真实世界的彩色 信息转换为计算机能直接处理的数字信号 为将实物数字化提供了一种手段 如果说我们这个时代的特征是数字化生存 那么 信息数字化技术无疑是这种 生存 的基本前提条件之一 扫描能将真实世界的彩色信息数字化 其对于 数字化时代的重要性是不言而喻的 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求 提出研究声光效应线阵 CCD应用 信号放大处理 A D装换和计算机处理等关键技术 开发了声光效应 线阵CCD测试实验系统 并应用于实际中 因此 本研究课题具有学术研究意 义 技术开发价值和产品应用前景 现今 多科学的交叉 融合己是现代科学 发展的突出特色和必然途径 CCD图像扫描 处理科学无论是在理论上还是在 实践上都存在着巨大的潜力 它的发展将向着高速 高分辨率 立体化 能化 和标准化的方向发展 1 3 国内外研究现状及发展趋势 自从1969年 美国贝尔实验室Boyle和Smith利用当时已发展得很好的硅技 术 第一章 绪论 3 研制成第一个CCD以来 依靠业已成熟的MOS集成电路工艺 CCD技术得以迅 速发展 CCD是一种以电荷量表示光量大小 用祸合方式传输电荷量的器件 具 有自动扫描 动态范围大 光谱响应范围宽 体积小 功耗低 寿命长和可靠 性高等一系列优点 CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移 因此 CCD的 基本作原理是信号电荷的产生 存贮 传输和检测 从结构上 CCD可分为线 阵CCD和面阵CCD两种 后者主要用于摄取图像 而前者作为一种高灵敏光电传 感器在生产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量 分类 表面质量评定和 精确定位等 线阵CCD器件是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作 用下 信号电荷转移至移位寄存器 由移位寄存器一位一位地将其输出 从而 得到所需的光电信息 线阵CCD灵敏度高 光谱响应宽 动态范围大 操作与 维护方便 成本低廉 在工业生产线上 已广泛用于产品外部尺寸非接触检测 控制和分类 自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域 近10年来 CCD的用量以每年20 的速度递增 从1989年日本出版的 技术 市场 杂志获悉 世界上己把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品 据国外专家统计 1987年CCD世界市场规划为16亿美元 而实际上1997年为50 亿美元 1998年为65亿美元 CCD传感器正沿着提高自身综合性能的方法发展 CCD伴随着计算机技术地迅速发展 在国防及民用工业等部门引起了人们的极 大关注 尤其是CCD所具有的体积小 重量轻 结构简单 功耗低 便于数字 化等一系列优点 更使其在检测方面的应用越来越广泛 光电传感器技术是未 来探测技术的发展方向 综上所述 本论文课题的理论研究应用研究具有一定科学前沿性 同时 也具有重要和广泛的实际应用前景 1 4 本设计的目的及内容 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求 在参考大量文献和剖析实 际应用领域的 CCD 数据采集系统的基础上 着眼于基于线阵 CCD 扫描技术的声 光效应测试仪器的研究 主要研究内容 1 研究光电检测技术 在深入了解 CCD 特别是线阵 CCD 及其传感器的基本工作原理 驱动方式和特点的基础上 对其在线性光电扫描 技术中的应用及与其他应用技术的结合方法进行研究 第一章 绪论 4 2 研究声光效应的基本原理 并对声光效应进行初步了解和探讨 通 过 分析选择合适的与 CCD 相匹配的组成器件 3 深入研究线阵 CCD 智能检测方法 依据欲选用的线阵 CCD 提出在 CCD 信号采集 二值化及结果显示等方面的思路和方法 实现初步的图像检测 4 设计制作出线阵 CCD 扫描装置 并开发设计出一套线阵 CCD 图像检测 系统 为线阵的 CCD 图像扫描技术与其他测试系统结合提供一个平台 第二章 测试系统的设计 5 第二章 测试系统的设计 2 1 测试系统总体描述 2 1 1 测试系统基本原理 本设计研究的主要是基于声光效应线阵CCD测试仪的测试系统 其基本原 理如图 激光发生器 超声 波发 生器 声光 晶体 器 件 数 据 采 集 数据 总线 计算机处理 软件及显示 图 2 1 测试系统基本原理示意图 该测试系统利用光通过某一受超声波扰动的介质发生的衍射现象 用线 CCD图像传感器将激光的衍射条纹转换成电信号 再通过低通滤波处理 信号 放大 A D数据采集后 送入计算计进行相应数据处理和分析 2 1 2 声光效应线阵 CCD 测试仪 声光效应线阵CCD测试仪主要有以下几个部分组成 激光发生器 超声波 发生器 声光器件 线阵CCD 如图2 2 第二章 测试系统的设计 6 图 2 2 声光效应线阵 CCD 测试仪示意图 2 2 光源的选择 通常情况下 使用激光作为传感器的光源 主要是因为激光具有如下的 特性 1 高定向性 激光光束发散角小 可以集中在狭窄的范围内 向特定方向 发射 2 高单色性 激光光束的单色性好 谱线频带窄 因此 在测试系统中 使用时 可以通过滤色等手段 有效滤除和减少测量过程中环境杂散光对于系 统的影响 3 高辐射密度 激光光束能量集中 即使功率很小的激光发射器 其光 强也足够用于测量 保证了测量系统的安全性 激光器基本上是由激光工作物质 激励 泵浦 系统和光学共振腔组成 激光工作物质是激光器的核心 可以为固体 如红宝石 气体 如He Ne 气体 CO2 半导体 如砷化镓 等 它在外能作用下 具有粒子数反转的 特性 激励系统是将能量输入工作物质 使其实现粒子数反转 常用的有光泵 气体放电激励 化学反应激励 热激励等 光学共振腔的作用是提供光学反馈 能力 以形成受激发射的持续振荡 并对振荡光束的方向和频率进行限制 保 证输出激光的高定向性和高单色性 激光器的种类很多 迄今为止已有好几百 种 在光电检测技术中 He Ne 气体激光器和半导体激光器用的最多 因此 下面对这两种激光器做一下简要介绍 1 He Ne 气体激光器 He Ne 激光器具有连续输出激光的能力 输出幅度和频率较稳定 激光 波长有632 8nm 1 15 m 和3 39 m 三种 12 工作电源一般可以采用稳定的 直流 工频或射频交流 在精密测量中 采用直流稳压电源 以获得稳定的激 声光功率信号 源 激光器 转角平台 光强分布测量 仪 频率 计 USB 采集盒 接计算机 第二章 测试系统的设计 7 光 它输出的激光光束的相干性和方向性很强 居各类激光器之首 但是 He Ne 激光器发光效率低 与其他光源相比 需要的电压较高 电源较复杂 体积也较大 2 半导体激光器 半导体激光器是一种注入式电致发光器件 不但单色性好 方向性强 发 散角小 能量高度集中 而且体积小 重量轻 结构简单 抗震性强 发光效 率高 并可通过选择不同材料获得不同频率的激光 但是 半导体激光器对电 流要求比较高 受电源波动影响较大 综上所述 虽然He Ne 激光器准直性好 发散角小 光斑受距离影响小 可以保证长距离测量时光斑不受距离影响 保证了测量精度 但是He Ne 激 光器体积大 且预热时间长 发光效率差 操作不便 可供选择激光波长少 不能根据CCD 的响应灵敏度进行选择 半导体激光器同样具有准直性好 发散 角小的优点 而且体积小 结构简单 抗震性强 发光效率高 激光波长多 所以比He Ne 激光器更适合作为激光三角测距传感器的光源 我们所选用的 激光器为半导体激光器 2 3 声光效应与声光调制 2 3 1 声光效应原理 光通过某一受到超声波扰动的介质发生的衍射现象 这种现象是光波与介 质中声波相互作用的结果 当超声波在介质中传播时 将引起介质的弹性应变 作时间和空间上的周期性的变化 并且导致介质的折射率也发生相应的变化 当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象 这就是声光效应 有超声波 传播的介质如同一个位相光栅 用正弦高频功率信号源驱动一声光晶体 在晶体中往返传输的超声波相互 叠加形成驻波 激光通过这个晶体时将会发生衍射现象 通过观察和测量 由 声光相互作用的机理可推算出晶体中的声速 也可研究驱动电压功率与衍射效 率的关系 光的偏振特性 调制频率与驱动频率的关系与及空气中的光速 设声光介质中的超声波是沿Y方向传播的平面纵波 其角频率为 波长 s 为 波矢为k 入射光为沿x方向传播的平面波 其角频率为w 波长为波 s 矢为k 介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播 由于光速大约是声 第二章 测试系统的设计 8 波的倍 在光波通过的时间介质在空间上的周期变化可看成是固定的 由 5 10 于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定 2 1 PS n 1 2 式中 n为折射率 S为应变 P为光弹系数 通常 P和S为二阶常量 当 声波在各向同性介质中传播时 P和S可作为标量处理 如前所述 应变也以行 波形式传播 所以可写成 2 2 sin 0 yktSS Ss 当应变较小时 折射率作为Y和t的函数可写作 2 3 sin 0 yktnntyn SS 式中 为无超声波时介质折射率 为声致折射率变化的幅值 由 0 n n 2 1 式可求出 2 4 0 3 2 1 PSnn 当声光作用的距离满足 而且光束相对于超声波波面以一角度 2 s sL 斜入射时 在理想情况下除了0级之外 只出现1级或者一1级衍射 如图2 3所 示 图 2 3 布拉格衍射 这种衍射与晶体对X光的布拉格衍射很类似 故称为布拉格衍射 能产生 这种衍射的光束入射角称为布拉格角 此时的有超声波存在的介质起体光栅的 作用 可以证明 布拉格角满足 第二章 测试系统的设计 9 2 5 S B i 2 sin 式中 2 5 称为布拉格条件 因为布拉格角一般都很小 故衍射光相对于入射 光的偏转角为 2 6 S SS B f nv i 0 2 式中 v 为超声波波速 人为超声波频率 在布拉格衍射的情况下 一级衍 射 光的衍射效率为 2 7 2 sin 2 0 2 H LPM S 式中 为超声波功率 L 和 H 为超声换能器的长和宽 为反映生光介质本 s P 2 M 身性质的一个常数 为介质密度 P 为光的弹性系数 在 326 2 s vPnM 布拉格条件下 m 级衍射光的频率为 m m 0 或 m 2 8 s m m 1 2 3 2 声光效应分类 声光效应可根据具体情况依照不同方法进行分类 主要的分类方法包括按 入射光和衍射光的偏振特性分类 按声光互作用长度分类 按声光器件用途分 类三种 1 按入射光和衍射光的偏振特性分类 根据入射光和衍射光的偏振态 声光效应可分为正常和反常两大类 正常 声光效应中入射光与衍射光的偏振态相同 它们在同一介质中的折射率相同 而反常声光效应中入射光与衍射光的偏振态不同 它们在同一介质中的折射率 不同 对于正常声光效应 衍射光的偏振方向与入射光相同 因而折射率也相 同 对于反常声光效应 衍射光的偏振方向与入射光不同 因而折射率也不同 第二章 测试系统的设计 10 本设计采用的是声光调制器属于正常声光效应的应用 2 按声光互作用长度分类 根据声光互作用区域的长度 声光效应可分为布拉格声光效应和喇曼一奈 声光效应 布拉格声光效应 当超声波频率比较高 一般在20MHz以上 时 声光 互作用区域比较长的情况下 除零级光外 只产生一级衍射光 声光介质相当 于体光栅 对入射光方向要求严格 对于正常声光器件只有满足布拉格方程方 向的入射光可通过介质产生衍射 对于反常声光器件只有满足狄克逊方程的入 射光可通过介质产生衍射 声光介质相当于体相位光栅 介质内折射率会产生 一定分布 喇曼一奈斯声光效应 在声光互作用长度比较短时 声光介质对入 射光的作用相当于一个平面位相光栅 声光互作用区域短 对入射光方向要求 不严格 能产生多级衍射光 每级衍射光强度均很低 3 按声光器件用途分类 声光偏转器是用来控制激光束的偏转方向的 可分为扫描式偏转器和飞点 式偏转器两类 声光调制器是利用一定频率的振幅来调制激光强度的 其工作原理是驱动 电信号频率不变 振幅是随待传输信号变化的 待传输信号可以是视频 也可 以是音频 载频或射频是高频 与声光器件的工作频率是一致的 用这样的 信号来驱动声光器件 可使衍射光强随待传输信号而变化 声光调制器的应用 非常广泛 如 光斩波器 激光打印机 彩色扫描仪 声光光开关以及多元驱 动等等 声光滤光器是一种根据各向异性介质中的声光衍射原理而工作的电调谐滤 光器 可以把入射白光中所需要的单色光的波长滤出来 声光滤光器的突出特 点是光谱分辨力高 角度孔径大 速度快 比机械式的滤光器方便得多 其驱 动电信号幅度不变 频率是跳变的 类似于飞点式偏转器 2 3 3 声光调制器 声光调制器是声波和光波相互作用的一种调制方法 当声波在介质中传播 时 会引起介质密度周期性地疏密变化 从而导致介质的介电系数及折射率的 周期性变化 而介质折射率随超声波信号的变化 又会影响光在介质中的传播 特性 光的强度 撷率等参数随超声波信号的变化而变化 声光调制器A由驱动源 产生频率为f的超声波 转换器和超声波介质 晶 第二章 测试系统的设计 11 体 等组成 其工作原理是利用声光效应 即使超声波通过转换器在介质中传 播引起介质折射率的周期性变化而产生类似于运动位相光栅的效应 这时光栅 常数八等于超声波波长 因此当频率为的激光束以布拉格角入射到声 0 f b i 光调制器A上时 此时会产生频率为的0级和频率为的 1级衍射光 0 f 0c ff 如图2 4所示 图 2 4 声光调制器结构原理 1 驱动源 2 转换器 3 超声波介质 由式 2 6 2 2 s c b v f l 2 9 式中为布拉格角 为超声波在介质中的传播速度 b l s v 2 4 CCD 检测技术 近年来 光电耦合器件CCD Charge Coupled Device 在光学图像测量系统 中的运用相当普遍 当被测对象的光信息通过光学系统 在CCD的光敏面上形 成光学图像后 CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量 用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动 在CCD的输出端可获得被测对象的视频 信号 CCD摄像机具有体积小 重量轻 功耗低 噪声小 可靠性高 无烧伤 现象 不怕振动 光谱响应宽 输出线性好等一系列显著的优点 由于上述优 点 利用图像测量技术实现几何量测量 不仅可能而且在一定场合下具有优势 如何在现有条件下提高检测精度与速度成几何量测量领域的一个研究热点 2 4 1 CCD 的组成部分 CCD是在MOS晶体管电荷存贮器的基础上发展起来的 故有人把它说成是 第二章 测试系统的设计 12 排列起来的MOS电容器阵列 或者更直接地把它说成是 一种在源极与漏极 之间密布着许多栅极 沟道极长的MOS晶体管 即多栅MOS晶体管 即多栅MOS 晶体管 如图2 5所示 图 2 5 CCD 结构示意图 CCD 的典型结构及其各部分的命名如图 2 3 所示 CCD 由三部分组成 1 主体部分 即信号电荷转移部分 实际上是一串紧密排布的 MOS 电容器 它的作用是存贮和转移信号电荷 2 输入部分 包括一个输入二极管和一个输入栅 它的作用是将信号电荷引 入 CCD 的第一个转移栅的势阱中 3 输出部分 包括一个输出二极管和一个输出栅 它的作用是将信号电荷引 出 CCD 的转移栅的到二极管 然后由引线输出 CCD 的单元结构如下图所示 图 2 6 CCD 单元与线阵列结构的示意图 a CCD 单元 b CCD 线阵列 2 4 2 CCD 的工作原理 CCD Charge Coupled Device 电荷耦合器件 自1970 年由美国贝尔实 验室的Willard Boyle 和George Smith 提出后 随着半导体微电子技术的发展 第二章 测试系统的设计 13 也得到了惊人的发展 CCD 技术之所以能如此迅速发展 是因为CCD 器件具 有许多独特的优点 CCD 器件是一种固体化器件 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高 寿命 长 图像畸变小 尺寸重现性好 具有较高的空间分辨率 光敏元间距的几何尺寸精度高 可获得较高的定 位精度 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围 典型的CCD 图像传感器的结构如图2 7 所示 是由一列光敏元阵列和与 之平行的位移寄存器构成的 在光敏元阵列与位移寄存器之间 有一列转移栅 控制电荷由光敏元转移到位移寄存器 图2 7 a 图所示的是单列位移寄存器结 构 2 7 b 是双列寄存器结构 采用两列移位寄存器 可以提高电荷的转移速 度 进一步减小图像信息的失真 a 单行结构 b 双行结构 图2 7 线阵型CCD 图像传感器 CCD 是一种MOS 结构的新型器件 由金属 M 氧化物 O 半导体 S 三层组成一个MOS 电容 将这些MOS 电容以一定间隔排列后 如图2 8 所示 为三个相邻的MOS 结构 当半导体材料为P 型硅时 如在1 3 两个金 属电极上施加适当的正电压V 在电极2 上加上正电压V 少数载流子 电子 被吸收到电极下的区域内 当V V 则在电极2 下面形成较深的耗尽区 从 而形成电荷包 电压维持时 电荷也保持不变 把电极连成三组 构成三相 CCD 当加驱动脉冲 则以使电极下存储的电荷朝一定方向移动 实现了电荷 的转移 由上述CCD 的构造 可以归纳出P 型硅衬底CCD 的工作过程分为以 下三步 电荷存储 当在金属电极加一正向电压时 在硅衬底中形成耗尽区 称为势阱 势阱 第二章 测试系统的设计 14 的深度与栅极电压以及势阱内是否存有电荷有关 当光入射到耗尽区时 因内 光电效应将产生光生电子 空穴对 在耗尽区电场作用下 空穴流入衬底底部 电子则积存于半导体表面 这样 势阱中有一定量的电荷 且势阱中积存的电 荷量与入射光强度成正比 CCD 饱和情况除外 图2 8 电荷存储示意图 电荷转移 如图2 9 所示 左图为电荷转移的过程 右图为驱动脉冲时序 半导体表 面势阱的大小随栅极电压变化而变化 调整相邻电极间的电压 可以使得一个 电极下的势阱比另一个深 则电荷会流向势阱深的电极下 则实现了电荷按照 驱动脉冲的顺序进行转移 图 2 9 三相 CCD 电荷转移原理示意图 电荷输出 电荷的输出主要有三种方式 电流输出 浮置扩散放大器输出 浮置栅放 大器输出 这三种方法可以将电荷信号转换为可以方便检测出的电流或电压信 号 且电流 电压与电荷之间满足一定的函数关系 线阵CCD 器件的像元数越多 器件的分辨率也越高 对于尺寸的测量 采用高 第二章 测试系统的设计 15 位数光敏元件的线阵CCD 器件 可以得到较高的测量精度 2 4 3 CCD 的基本特性参数 1 电荷转移效率 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数 一次转移后到达下一个势 阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率 影响电荷转移效率的主要 原因是界面态对电荷的俘获常采用胖零工作模式来提高电荷转移效率即让零信 号也有一定的电荷 2 工作频率f 决定工作频率下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰 注入电荷从一电极到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命T 即t T 工作频率的上限 当工作频率升高时 若电荷本身从一个电极转移到 另一个电极所需要的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间T 3 那么信号电荷 跟不上驱动脉冲的变化 将会使转移效率大大下降 因此要求t T 3 3 光谱响应 CCD接受光的方式有正面光照和背面光照两种 由于CCD的正面布置着很 多电极 电极的反射和散射作用使得正面照射光谱灵敏度比背面照射时低 即 使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅即二氧化硅界面上的 多次反射引起某些波长的光产生干涉现象 出现若干个明暗条纹使光谱响应曲 线 为此用于摄像或像敏的CCD 简称为ICCD 常采用背面光照射的方法 4 动态范围 动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比 CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构 SCCD 还是BCCD 时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素 5 暗电流 在正常工作的情况下 MOS电容处于未饱和的非平衡态 然而随着时间的 推移由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡 因此即使在没有光照或 其他方式对器件进行电荷注入的情况下 也会存在不希望有的电流 暗电流是 大多数摄像器件所共有的特性 是判断一个摄像器件好坏的重要标准 尤其是 暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此 第二章 测试系统的设计 16 6 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性 常用调制传递函数MTF来评价线阵 CCD 现在256x1 1024x1 2048x1 5000 x1 10550 x1等多种 像位数高的器件具有更 高的分辨率 尤其是用于物体尺寸测量中采用高位数光敏单元的线阵CCD器件 可以得到更高的测量精度 2 4 4 CCD 器件的选择 CCD电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号而不同于其它大多数器件是 以电流或者电压为信号CCD 其功能是电荷的存储和电荷的转移因此CCD工作 程的主要问题是信号电荷的产生存储传输和检测CCD有两种基本型 一是电荷 包存储在半导体与绝缘体之间的界面并沿界面传输这类器称为表面沟道CCD 简 称SCCD 二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内并在半导体内沿一定 向传输这类器件称为体沟道或者埋沟道器件 简称BCCD 在本设计中 我们采用TCD1252AP器件 1 TCD1252AP器件的基本结构 CCD是一种光电转换器件 采用集成电路工艺制成 它以电荷包的形式存 储和传送信息 主要由光敏单元 输入结构和输出结构等部分组成 下面以线 阵CCD为例说明 TCD1252AP器件为2700像敏单元的长阵列器件 采用双沟道结构形式 TCD1252AP的结构如图2 10所示 从结构图可以看出 TCD1252AP是有两个转移 栅和两个模拟移位寄存器的双沟道型线阵器件 模拟移位寄存器 转 移 栅 光电二 极管 补偿输出单元 转 移 栅 模拟移位寄存器信号输出单元 第二章 测试系统的设计 17 图 2 10 TCD1252AP 的原理结构图 TCD1252AP的光敏阵列共有2738个光电二极管 其中有38个光电二极管被 遮蔽 前边 的和后边的 中间的2700个光电二极管为有 13 D 39 D 40 D 50 D 效的光敏单元 2 TCD1252AP 的外形尺寸 图2 11 TCD1252AP外形尺寸 TCD1252AP 为 DIP22 封装形式的双列直插型器件 外形尺寸如图 2 11 所示 器件的外形尺寸总长为 41 6mm 宽 9 65mm 高 7 22mm 器件的光敏单元总长为 29 7mm 光敏单元 像敏面 距离器件表面玻璃的距离为 1 72mm 表面玻璃的 厚度为 0 70 1 mm 这些参数对于实际应用都是很重要的 而且 器件的 外形尺寸与封装尺寸等对于同系列器件基本相同 3 TCD1252AP 的基本工作原理 在图 2 12 中 TCD1252AP 的驱动器应产生 SH l 2 RS 等 4 路脉冲 其中转移脉冲的周期远远大于其他 4 路脉冲的周期 l 2 为像素脉冲 两 者互为反相 RS 为复位脉冲 SH 为光积分脉冲 OS 为像元输出 DOS 为像元 补偿输出 当 SH 为低电平时 在 1 2 交变后 OS 输出像元电压信号 随 第二章 测试系统的设计 18 后发 RS 脉冲 以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷 为下一点像素电压输出 做准备 4 TCD1252AP的特性 如 TCD1252AP 的驱动脉冲波形图所示 转移脉冲 SH 的高电平期间 驱动 脉冲 1 必须也为高电平 而且必须保证 SH 的下降沿落在 1 的高电平上 这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的 1 电极转移 完 成信号电荷的并行转移后 SH 变为低电平 光敏区与模拟移位寄存器被隔离 在光敏区进行光积累的同时 模拟移位寄存器在驱动脉冲 1 和 2 的作用下 将转移到模拟移位寄存器的 1 电极的信号电荷向右转移 在输出端得到被光 强调制的序列脉冲输出 如图 2 12 中的 OS 信号 SH 的周期称为行周期 行周 期应大于等于 2750 个转移脉冲 1 的周期 T1 只有行周期大于 2750 T1 才 能保证 SH 在转移第二行信号时第一行信号能全部转移出器件 当 SH 由高变低 时 OS 输出端便开始进行输出 如图 2 12 所示 OS 端首先输出 13 个虚设单 元的信号 所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的 CCD 模拟寄存器的部分 然后输出 24 个哑元 哑元是指被遮蔽的光电二极管与之对应的 CCD 模拟寄 存器的部分产生的信号 再输出 3 个信号 这 3 个信号可因光的斜射而产生 电荷信号的输出 但这 3 个信号不能被作为信号处理 后才能输出 2700 个有 效的像敏单元信号 有效像敏单元信号输出后 再输 11 个哑元信号 其中包 括 1 个用于检测 1 个周期结束的检测信号 这样 1 个行周期中共包括 2750 个单元 行周期应该大于等于这些单元输出的时间 即大于等于 2750T1 第二章 测试系统的设计 19 图 2 12 TCD1252AP 驱动脉冲波形 图 2 12 TCD1252AP 驱动脉冲波形 1 光谱响应特性 TCD1252AP 的光谱特性曲线如图 2 13 所示 光谱响应的峰值波长为 550nm 短波响应在 400nm 处大于 70 实践证明该器件在 300nm 处仍有较好的 响应 光谱响应的长波限在 1100nm 处响应范围远超过了人眼的视觉范围 相对光谱灵敏度 图 2 13 TCD1252AP 光谱响应曲线 该器件像敏单元不均匀性的典型值为 3 像敏单元不均匀性的定义有两种 一 种定义为在 50 饱和曝光量的情况下各个像敏单元之间输出信号电压的差值 U 与各个像敏单元输出信号均值电压 U 之比的百分数 即另一种用 PRNU V 表示 定义为 5 饱和曝光量情况下的相邻像素输出电压的最大差值 2 灵敏度 线阵 CCD 的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的输出信号电压 R 2 10 v o H U 公式中为线阵 CCD 输出的信号电压 为光明面上的曝光量 O U V H 3 动态范围 动态范围定义为饱和曝光量与信噪比等于 1 时的曝光量之比 但是 R D 这种定义方式不容易计量 为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替 即 第二章 测试系统的设计 20 2 R D DRK SAT U U 11 式中 为 CCD 的饱和输出电压 为 CCD 没有光照射时的输出电压 SAT U DARK U 暗信号电压 TCD1252AP 的其他特性参数如表 2 1 所示 由表中可以看出 他是一种性 能优良的线阵 CCD 器件 表 2 1 TCD1252AP 的特性参数 特性参数参数符 号 最小值典型值最大值单位备注 灵敏度 R446382V lx s PRNU 10 像敏单元的不均匀性 PRNU V 716MV 饱和输出电压 USAT1 52 0V 饱和曝光量 ESAT0 040 06lx s 暗信号电压 UDARK 26MV 暗信号电压不均匀性 DSNU 37MV 交流功率损耗 PD 35100MW 总转移效率 TTE92 输出阻抗 ZO 1k 动态范围 DR 750 噪声 NDO 1 5 MV 交流 补偿信号输出电 压 UOS UDOS2 53 54 5V 第二章 测试系统的设计 21 5 TCD1252AP 的驱动 图 2 14 TCD1252AP 驱动电路 TCD1252AP 外加驱动电路的实现 采用 AVR 单片机 1 AVR AT90S 系列单片机的优点如下 1 价格低廉的可擦写1000 次以上的16 字 位指令 程序存储器数据为16 位 即XXXX 16 也可理解为8 位 即2 XXXX 8 FLASH技术 不再有报废品产生 数据存贮器为八位 AVR 还是属于八位单片机 2 高速度 50ns 低功耗 A 具有SLEEP 休眠 功能及CMOS 技术 每一 指令执行速度可达50ns 20MHZ 而耗电则在1mA 2 5mA间 典型功耗 WDT 关闭 时为100nA AVR运用Harvard结构概念 具有预取指令功能 即对程序存储 和数据带有不同的存储器和总线当执行某一指令时 下一指令被预先从程序存 第二章 测试系统的设计 22 储器中取出 这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行 3 高度保密 LOCK 可多次烧写的FLASH 且具有多重密码保护锁死 LOCK 功 能 因此可低价快速完成产品商品化 且可多次更改程序 产品升级 而不必浪费 IC 或电路板 大大提高产品质量及竞争力 4 工业级 WDT 产品 具有大电流 灌电流 10 20mA 或40mA 单一输出 可直接驱动SSR 或继电器 有看门狗定时器 WDT 安全保护 防止程序走飞 提 高产品的抗干扰能力 5 超功能精简指令 具有32 个通用工作寄存器 相当于8051 中的32 个 累加器 克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象 及128 4KB 个SRAM 可灵 活使用指令运算并可用功能很强的C 语言编程 易学易写易移植 6 程序写入器件可以并行写入 用万用编程器 也可串行在线下载 ISP 擦写 也就是说不必将IC拆下拿到万用编程器上烧录 而可直接在电路板上进 行程序修改烧录等操作 方便产品升级 尤其是SMD 封装 更利于产品微型化 7 并行I O 口输入输出特性与PIC 的HI LOW输出及三态高阻抗HI Z 输 入类同外 也可设定类同8051 系列内部拉高电阻作输入端的功能 便于作各种 应用特性所需 多功能I O 口 只有AVR才是真正的I O 口 能正确反映I O 口的输入 输出真实情况 8 单片机内有模拟比较器 I O 口可作A D 转换用 可组成廉价的A D 转换器 9 像8051 一样 有多个固定中断向量入口地址可快速响应 而不会像PIC 一样所有中断都在同一向量地址 需要以程序判别后才可响应 这实在是浪费且 失去控制的最隹机会 10 同PIC 一样可重设启动复位 AVR AT90S 系列也有内部电源开关启动 计数器 可将低电平复位 RESET 直接接到VCC 端 当电源开时 由于利用内部 的RC 看门狗定时器可延迟MCU 启动执行程序 这种延时以使I O 口稳定后执行 程序 提高单片机工作可靠性 同时也可节省外加复位延时电路 11 具有休眠省电功能 POWER DOWN 及闲置 IDLE 低功耗功能 12 AT90S1200 等部分AVR器件具有内部RC 振荡器 1MHz 的工作频率 使该类单片机无需外加元器件即可工作 真是简单方便 13 计数器 定时器 C T 有8 位和16 位 可作比较器 计数器外部中断和 PWM 也可当D A 用于控制输出 第二章 测试系统的设计 23 14 有串行异步通讯UART 不占用定时器和SPI 传输功能 因其高速故可 以工作在一般标准整数频率 而波特率可达576K 15 AT90S4414 及AT90S8515 具有可扩展外部存储器达64KB 它们的引脚 排列及功能与8051 相似 即可替代8051 系列单片机 8751 8752 的应用系统 当然还在硬件软件上带来很多优点 WDT 看门狗 摸拟比较器作A D PWM 作D A 等 16 工作电压范围宽2 7V 6 0V 电源抗干扰性能强 2 用AVR单片机驱动线阵CCD的编程与实现 驱动时序实现 为了实现高驱动频率和减少对资源的浪费 应当选择速度快而结构紧凑的 单片机作为产生 CCD 驱动时序的 CPU ATMEL 公司的 AT90S1200 则刚刚好满足 了我们的这个要求 它是一个具有 16MHz 时钟频率的 8 位 RISC 单片机 大多 数指令的指令周期仅为一个时钟周期 即 62 5ns AT90S1200 拥有 1K 片内 FLASH ROM 可以存放 512 条 RISC 指令 对外则有 15 个可编程 I O 引脚 整个 芯片封装于 DIP20 中 硬件连接如图 AVR 单片机提供 CCD 驱动脉冲编程 include 1200def inc def ccd1 r11 设置寄存器的符号名 def ccd2 r10 def ccd3 r9 def ccd4 r8 def cnt0 r23 org 0000 rjmp start 跳主程序 org 0005 start ldi r16 08 B3 B2 B1 B0 分别为 Q1 Q2 RS SH mov ccd1 r16 ldi r16 0a mov ccd2 r16 ldi r16 04 mov ccd3 r16 ldi r16 06 第二章 测试系统的设计 24 mov ccd4 r16 ldi r20 0f out ddrb r20 初始化 B 口 ldi r21 03 ldi r22 01 lp out portb r22 感光时刻的脉冲 dec r21 brne lp SH 脉宽为 3 3 的指令周期 ldi r23 e2 循环 226 次 loop1 out portb ccd1 初始化循环参数 nop nop nop nop nop out portb ccd2 nop nop out portb ccd1 nop nop out portb ccd3 nop nop nop nop nop out portb ccd4 nop nop out portb ccd3 RS 占空比 1 3 dec cnt0 brne loop1 loop2 loop3 loop4 loop5 同 loop1 rjmp start 第三章 测试硬件电路系统 25 第三章 测试硬件电路系统 3 1 信号处理电路 CCD 在驱动脉冲的作用下 经移位寄存器顺序输出视频信号 复位脉冲 RS 每复位一次 CCD 输出一个光脉冲信号 由于 TCD1252AP 信号检测采用选通电 荷积分器结构 使其视频输出信号中叠加了一些由周期性复位信号 RS 引起的 串扰信号 而且有效信号幅值较小 约为 500 mV 直流电压约有 4 1V 这是 一组典型的共模电压较高 有效差模信号较低的差分信号 信号波形如图 3 1 和图 3 2 所示 所以模拟信号输出在进行后续处理 包括长线传输 A D 转换等 之 前要进行一系列预处理 消除视频信号中的复位脉冲串扰及其他干扰 将微弱 的视频信号进行幅值放大及驱动能力的放大 由于是对差分信号的处理 所以先讨论一下差分电路的基本概念 差分信 号测量电路里差模和共模电压示意图中 VDIFF 是信号差模电压 VCM 是信号 共模电压 信号 VOUT R2 R1 VDIFF G VDIFF 理想状态下 一般差模增益 G 1 而共模增益 mismatch 100 G G 1 接近于零 因此可以看出共 模增益主要是电阻不匹配的函数 在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小 不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致 而使电路的直流共模增益不为零 共模抑制比 CMRR 就是差模增益 G 与共模增益的比值 用对数形式表示 201g 100 mismatch G 1 实际工程应用中 电路工作在一个很大的 噪声源中 如 50 Hz 交流电源线的噪声 设备的开关噪声 无线信号的传输噪 声 这些干扰信号作用在差分输入端 将会在输出端产生一个共模信号 因此 差分信号处理除了要求有高的 DC CMRR 还要有高的 AC CMRR 第三章 测试硬件电路系统 26 图 3 1 CCD 的 OS 端输出波形 图 3 2 CCD 的 DOS 端的输出波形 图 3 3 测量差分信号示意图 第三章 测试硬件电路系统 27 图 3 4 AD623 的内部原理图 AD623 集成了 3 路运放 可单电源或双电源工作 具有较高的 CMRR 和极低 的电压漂移 除了一个控制可编程增益的外接电阻外 所有元件都集成在内部 提高了电路温度稳定度和可靠性 应用 AD623 的 CCD 模拟信号处理电路如图 3 5 将视频信号及其补偿输出分别送至 AD623 的反相和同相输入端 在 AD623 的输出端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力 选用该器件可消除采用普 通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移 图 3 5 CCD 模拟输出信号处理电路 第三章 测试硬件电路系统 28 3 2 数据采集系统 单片机 AT89C51 是整个系统的核心 TLC2543 对输入的模拟信号进行采集 转换结果由单片机通过 P1 2 接收 AD 芯片的通道选择和方式数据通过 P1 1 输入到其内部的一个 8 位地址和控制寄存器 单片机采集的数据通过 USB100 向上位机 USB 传输 如图 3 6 图 3 6 数据采集及传输硬件图 3 3 TLC2543 串行 A D 转换器 3 3 1 TLC2543C 简介 TLC2543是具有11个输入端的12位串行模数转换器 TLC2543是美国德州仪 器公司于近几年推出的一种性能价格比较优越的12位A D转换芯片 具有多种 封装形式 并具有民用级 工业级 军用级产品 在产品型号 规格 封装形 式 适用范围等方面 已形成一个系列 一九九八年以来开始在我国推广使用 就12位A D转换器来说 TLC2543具有转换快 稳定性好 与微处理器接口简捷 价格低等优点已经在我国单片机应用领域得到很好的推广了 TLC2543C的引脚 如图图3 7所示 第三章 测试硬件电路系统 29 图3 7 TLC2543引脚图 3 3 2 TLC2543C 的主要性能 TLC2543C是一种开关电容结构的逐次迫近式AD转换器 片内提供转换时钟 12位或8位串行数据输出 可采集11路模拟输入电压 由片内多路开关选通 并 采样保持 在本芯片工作温度 00C 700C 范围内 AD转换时间为10微秒 样率 为66Kbps 具有单 5V电源工作的方式 且提供3路内置自测方式 通过对该芯 片内数据输入寄存器的编程 可实现12位或8位串行数据输出 数据输出的格 式为二进制数无符号数或有符号数 是最高有效位 MSB 导前输出还是最低有 效位 LSB 导前输出 3 3 3 TLC2543C 的转换过程 其工作过程分为两个周期 I 0 周期和实际转换周期 1 1 0周期 CS变低后器件进入I 0周期 同时进行两种操作 在I 0 CLOCK的前8个脉冲上升沿 以MSB的导前方式从DATAI NPUT端输入8 位数据流到输入寄存器 其中前四位为模拟通道地址 控制14通道模拟多路器 从11个模拟输入和3个内部自测电压中 选通一路送到采样一保持电路 该电 路从第四个1 0 CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样 直到最后一个 I 0 CLOCK脉冲下降沿 I 0周期的时钟脉冲个数与输出数据长度同时由输入数 据的D3D2位选择8 12 16位时 在前8个时钟脉冲之后 DATA INPUT便无效 在DATA OUT短串行输出8 1 2或16为各数据 当插入 CS高电平脉冲控制件 工作时 第一个数据出现在 CS下降沿 当 CS保持为低时 第一个数据出现在 EOC的上升沿 后续数据在I 0 C