电路设计-0306340337颜子钦.doc

中北大学光学系统设计与仿真课程设计说明书学生姓名： 颜子钦 学 号： 0306340337 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 光信息科学与技术 题 目： CCD光电尺寸检测系统 （驱动电路信号调理电路的设计）指导教师： 周汉昌 职称: 教授 2007 年 1 月 19 日中北大学课程设计任务书 2006/2007 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 光信息科学与技术 学 生 姓 名： 颜子钦 学 号： 0306340337 课程设计题目： CCD光电尺寸检测系统 （驱动电路信号调理电路的设计）起 迄 日 期： 1月12日 1月19日 课程设计地点： 信息与通信工程学院 光信息科学与技术专业实验室 指 导 教 师： 周汉昌 系 主 任： 郝晓剑 下达任务书日期: 2006 年 12 月25 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1 熟悉光学三角法的测量原理；2 掌握CCD图像传感器的使用方法；2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计要求：1 光路设计与仿真：依据光学三角法设计适合测试的具体光路并进行仿真；2 驱动电路信号调理电路的设计：设计可能用到的驱动电路、信号处理电路；3 器件的选取，及参数的计算：选取参数匹配的光源、探测器以及电子元件满足设计要求；4系统结构设计：考虑机械结构，绘制机械图；5写出设计说明书。技术指标：1 检测系统分辨率为 1m ；2 测量精度为0.5m；3 相对测量范围0.5mm。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1） 课程设计说明书一份；2） 电子文档（说明书、图纸）一份 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，19852 施涌潮，差动多齿分度台的齿数计算和选用及检测方法的探讨，宇航计测技术，1987年第6期，13175设计成果形式及要求：1） 课程说明书打印，并装订；2） 必要的电路图和机械图。6工作计划及进度：2006年01月08日2006年01月09日 下达设计任务书，学生熟悉设计内容； 2006年01月10日2006年01月12日 查阅参考资料，确定测试方案；2006年01月13日2006年01月16日 具体方案实施，光路设计与仿真；2006年01月17日2006年01月19日 电路设计，结构设计；2006年01月20日2006年01月21日 撰写说明书，改进不足；2006年01月22日 答辩，成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1设计背景 62系统原理 62.1 总体设计 62.2 光学三角法 7 3器件选取 83.1 光源的选择 83.2 CCD的选用 83.3 透镜的选择 84 CCD驱动电路及相关的电路设计 94.1 基于VHDL的驱动电路的时序设计 94.2 设计驱动电路 104.3 CCD视频信号处理电路125系统结构设计 146设计总结 15参考文献 16附录A 驱动电路图 17详细设计方案1 设计背景对板材在线检测，目前国内大多数厂家采用射线法，该方法的优点是快速非接触连续测量，精度不受被测物体弹跳、移动影响，误差可以达到小于待测物厚度的1。主要缺点是射线会对人体造成伤害，射线也污染环境。三角法是一种成像法，测量精度很高，测量重复性好，可达10m左右。该方法的特点是远距离与较高的速度和精度相结合，测量点小，适用范围广，不受被测材料的限制，对大多数不透明的物体都可以适用，近年来该方法用于测量位移、厚度，在国内很受重视。在我国现有的企业中，有较多的企业仍然采用传统的测量方法进行加工。这些方法测量精度、低效率差,为了保证产品的质量，花费在测量上的时间和人员数量是相当可观的，严重影响了工厂生产效率和经济效益。并且,传统的测量方法需要与被测物体接触,这给测量带来了不便,精度也会下降.故此,需要有一种新的方法来代替传统的测厚方法,它应该具有高精度、高效率、结构简单,可以非接触测量等优点。2 系统原理2.1总体设计测量系统基本原理为光学三角法，主要包括以下几部分。如图1所示。 图1 总体框图从光源发出一束光照射到被测物体表面，反射后进入CCD图像传感器。由于光束在被测物体表面是漫反射，需要透镜把光线进行会聚，使光斑在CCD上得到合适的像。光斑在CCD图像传感器上成像，被测物体厚度的变化引起光斑像在CCD上的位移，CCD图像传感器将光信号转换为电信号。CCD输出的信号在图像处理电路经放大、滤波、二值化处理后得到一个方波脉冲信号，对它计数后进行数据处理就可以算出被测物体的厚度。2.2 光学三角法光学三角法测量厚度是一种成像法，具有远距离非接触测量，结构简单，测试速度快，测量精度高，实时处理能力强，测量点小，使用灵活等许多优点。因而被广泛用于位移、厚度等测量中。在光学三角法中，由光源发出的一束激光照射在被测物体平面上，由物体表面的散射光最后在CCD图像传感器上成像，并由光信号转换为电信号。当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在CCD图像传感器上也发生相应的位移。物体的厚度变化可以通过对像移的检测和计算得到。光学三角法厚度测量可以分为直射式和斜射式两种。斜射式是入射光束与被测物表面法线成一锐角，而直射式是入射光束垂直于被测表面。这两种方法各有优缺点，直射法光斑较小，不会因被测面不垂直而扩大光照面上的亮斑，可解决柔软材料及粗糙工件表面形状位置变化测量的难题，而斜射法的布局使光电元件像面几乎可接受全部反射光和散射光，因而仪器的信噪比及灵敏度均较高，可用于微位移检测和柔软材料的检测等，但由于斜射法系统设计比较复杂，不利于实验器件定位。分析这两种方法后决定采用直射法，这种方法便于实际操作。通过测量计算CCD上像点移动的距离L就可以根据公式（1）得到要测量的厚度。 （1）L为接受光屏上的像点位移量为物面位移量为散射光入射角为成像角其光路设计如图2。图2 直射法光路设计图3 器件选取3.1 光源的选择半导体激光器虽然发散角稍大，但开机后很快就可以稳定下来，并且具有低功耗、可直接调制、体积小、重量轻、固体化、可靠性高、效率高等优点，使用方便，所以本系统准备采用半导体激光器作为光源。3.2 CCD的选用TCD1501C型图像传感器是一种高灵敏度、低暗电流、5000像元内置采样保持电路的线阵CCD图像传感器。工作在5V驱动（脉冲），用12V电源条件下。它的光谱响应如图3所示，对波长为550nm的光具有最好的响应，而所选半导体激光器输出光波长为532nm，非常接近CCD的最佳响应波长。图3 光谱响应曲线图TCD1501C型图像传感器的基本特性如下：像敏单元数目： 5000 像元像敏单元大小： 7um7um7um（相邻像元中心距为7um）光敏区域： 采用高灵敏度PN结作为光敏单元时钟： 二相（5V）内部电路： 采样保持电路封装形式： 22 脚DIP 封装 重量： 5.2g(典型值)3.3 透镜的选择成像透镜是将被测物上的光斑成像在CCD光敏面上，这一成像系统直接影响到成像光斑的大小、像质好坏等，从而影响到整个仪器的测量精度和可靠性。已知横向放大倍数取为14，根据CCD参数可知像视场直径为35mm，则可得物方视场的直径为3mm左右，光束聚焦系统可满足要求。4 CCD驱动电路及相关的电路设计以往CCD驱动电路的制作需要焊接很多电子元件，不仅使得整个电路系统的接线复杂，而且在高频电路中干扰问题非常严重，电路系统工作不稳定。我们给出了一种基于CPLD技术的线阵CCD驱动电路的设计方案。用CPLD设计的CCD驱动电路具有体积小、功耗低、速度快、抗干扰强的特点，可减小电路的体积和提高工作频率，而且在设计完成后，可随时对CPLD重新编写来产生不同的时序，以满足各种型号CCD的需要，而不必更改与CPLD的外部连线，有利于驱动电路的调试和升级。CCD芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生CCD工作所需的多路时序脉冲；二是对CCD输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换。最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。 4.1 基于VHDL的驱动电路的时序设计 本部分设计是基于Xilinx公司的CPLD XC9572-PC44-10，在ISE61环境下开发实现的。CCD器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵CCD都是三相或四相驱动，多数线阵CCD都是二相驱动。本文采用二相线阵CCD图像传感器TCD1501C，实现了用CPLD完成的驱动电路设计。CCD为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要对CPLD输出的复位脉冲RS、移位脉冲(又称光积分脉冲)SH、箝位脉冲CP、采保脉冲SP，以及二相时钟脉冲中1E、2E等 各路驱动脉冲采用74HC14进行整形和驱动能力的放大然后再送至TCD1501C器件的相应输入端，在CCD的模拟信号输出端将得到信号0S和补偿信号DOS。TCD1501C典型的最佳工作频率是1MHz，具有5000个有效像元输出。TCDl501C正常工作时要有76个哑像元输出一个扫描行周期内至少应包含有5076个时钟脉冲，即TSH50761E 01s，在本设计中TSH=52001E。由此可见，改变时钟脉冲频率或增加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常1E的频率设置为可调节的，这样可以根据CCD器件的实际应用环境灵活运用CCD器件的优点以改变光积分时间。只要条件允许，为降低CCD的电荷转移损失率。 CCD驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率降低时，可以在示波器上观察到CCD输出信号幅值明显增强。图4所示为CCD工作波形。图4 CCD工作波形4.2 设计驱动电路驱动电路可用超高速集成电路硬件描述语言 (VHDL)来编写，下面是产生时序脉冲的VHDL程序：u1:process(clk)beginif(clkevent and clk=1)thenif(cnt1”00011”)thenrs=1;elsers5 and cnt19)thencp_s=1;elsecp_s11 and cnt115)thensp=1;elsesp=0;end if;end if;end process;-generate syn_s singnal pulse-067 syn=1,685444 syn=0u4:process(cp_s)beginif(cp_severt and cp_s=0)thenif(cnt2”0000001000100”)thensyn_s=1;elsesp0 and cnt33)thensh=0;elsesh=1;end if;end if;end process;本文所选择的CCD共有5000个像敏单元，对移位脉冲进行计数满2500时，产生一个采样脉冲让像敏单元中的信号电荷全部转移到寄存器中来然后在移位脉冲的作用下从寄存器逐位移出信号电荷。四个计数器的最大计数值为10000。预置值等于10000减去计数器的模2500，故应把预置值设为:10000-2500=7500=(0111 0011 0000 0000)8421对应的输人引脚应预置数为: Da3=Da2=Da1=Da0=0;Db3=Db2=Db1=Db0=0; Dc3=Dc2=0,Dc1=Dc0=1;Dd3=0,Dd2=Dd1=Dd0=1.驱动电路图见附录A所示。4.3 CCD视频信号处理电路CCD图像传感器将光敏像元上的光信号转换成电信号并存储在MOS电容中，在驱动脉冲的作用下，顺序地移出器件形成视频信号，从而实现光与电、空间与时间上的转换。CCD输出信号比较特殊，其输出的空间采样信号就其振幅来讲是模拟信号，其振幅反映出信号电荷包的大小，他们都是模拟量。但是，在时间上，这些信号受精确的驱动时钟脉冲控制，因而类似数字移位寄存器，这就说明CCD信号即具有模拟性又有数字性。视频信号处理电路的原理如图5所示。由于CCD输出的原始视频信号中，混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，为了获得高质量的图像视频信号，必须对原始视频信号进行适当的处理和一定的放大，才能作进一步的处理。线阵CCD前置放大视频放大低通滤波二值化反相锁存器1锁存器2驱动电路计数器数据处理电路图5 视频信号处理电路框图CCD器件有两路输出，一路是携带有被测信息的视频信号，一路是复位脉冲的干扰补偿信号。为了降低噪声信号对视频信号的影响，对这两路输出进行差动放大，将视频信号加在放大器的同相输入端，补偿信号加在放大器的反相输入端，在放大器的输出端可得到清除了噪声后的视频信号。将由滤波器滤波后的视频信号放大，送入二值化处理电路进行二值化处理。二值化处理电路输出如图6所示的方波脉冲。将此方波脉冲分二路送出，一路直接送给锁存器1的锁存端，另一路经反相器送给锁存器2。锁存器1和锁存器2的数据输入端并联到数据处理电路的数据总线端口上。由于锁存器的锁存控制是以上升边沿有效的，所以锁存器1锁存的是二值化方波脉冲的前沿N1值，而锁存器2锁存的是二值化方波脉冲的后沿N2值，这样数据处理电路便得到了N1值和N2值。这两个锁存器的数据均来自于计数器，而计数器的计数脉冲由驱动器输出的复位脉冲p完成，计数器复位由驱动器的采样脉冲SH来完成。在一个行周期中的任一时刻所记的值Ni，只要小于CCD的有效象元数，Ni都代表了这一时刻所表征的Ni象元数的位置。这样，CCD像敏面上像的中心位置可由式(2)计算 （2）由像的中心位置的变化N可得出像点位移量，再由式(1)即可计算出物体厚度变化量。图6 二值化脉冲波型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p每复位一次，CCD输出一个光脉冲信号。应用AD623的CCD模拟信号处理电路如图7示。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 7 CCD模拟输出信号处理电路图5 系统结构设计通过对CCD光电检测系统整体结构分析设计。最终对系统结构的整体设计如下图8。图 8 总体机械平面图将该整体剖视以解释个部分装配示意，如下图9。 图 9 总体机械剖视图 (1)电源开关 (2)CCD驱动电路板以及为电脑处理中央 (3)电源 (4)(6)(7)线孔(5)机体车轮 (8)载物台 (9)激光器 (10)透镜 (11)液晶显示驱动电路板(12)液晶显示屏 (13)CCD6 设计总结首先讨论了光学三角法测量原理，采用了直射式作为系统的测量方法，并建立了相应的数学模型。然后进行了系统光学部分的设计。光路设计主要运用了几何光学的原理。我们所设计的带的CCD驱动电路，可集成于一片CPLD芯片中，较过去的由几十片芯片组成的驱动电路，其面积大大减小了，而且带有自动增益调整功 能，对频率的选出采用逐次逼近的方式。因此，采用适当的步长，就可以将SH的变化控制在比较合适的范围内，从而使峰值的收敛达到较好的效果