长沙理工大学：《光电子学》课程教学资源（实验指导）CCD原理实验

CCD原理及应用 实验（一）CCD驱动实验 实验目的 1、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动器各路脉冲的颜率、幅度、周期和相位关 系的测量方法。 2、通过测量CCD驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵CCD的基本工作原理。 3、通过测量典型线阵CCD的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，学握CCD的基本特征。 实验内容] 1、学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握TCD1200D线阵CCD的基本工作原理。 3、学握双综示波器的基本操作。 [实验仪器1 1、双踪同步示波器(20NMHz以上) 1台 2、CCD原理应用实验箱 1台 [实验原理] CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)的简称，它是由金属一氧化物-一半导体 (Charge Coupled Device)简称MOS构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储 和信息处理，二是用于摄像装置。这里介绍摄像用的黑白两相线阵CCD。 1、黑白两相线阵CCD结构简述 黑白两相线阵CCD有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用TCD1200D型2160像 素的CCD为例进行简述。结构示意图如下： 它包括摄像机构、两个CD模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。 摄像机构也称摄像区，它具有2160个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为2160个M0S 电容，电荷转移电极为MOS电容的橱极，通过电荷转移电极给橱极加脉冲电压。光敏元起光 电转换作用，M0S电容起暂存转换的电荷和向CCD模拟移位寄存器转移电荷包的作用。将2160 个MOS电容的奇数位分别与CCD转移寄存器1相连，偶数位分别与CCD转移寄存器2相连。 CCD模拟移位寄存器也是由一系列M0S电容组成。移位寄存器1和2各密排1080个，他们 1

1 CCD 原理及应用 实验（一）CCD 驱动实验 [实验目的] 1、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵 CCD 驱动器各路脉冲的频率、幅度、周期和相位关 系的测量方法。 2、通过测量 CCD 驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵 CCD 的基本工作原理。 3、通过测量典型线阵 CCD 的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，掌握 CCD 的基本特征。 [实验内容] 1、学习掌握线阵 CCD 的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握 TCD1200D 线阵 CCD 的基本工作原理。 3、掌握双综示波器的基本操作。 [实验仪器] 1、双踪同步示波器（20MHz 以上） 1 台 2、CCD 原理应用实验箱 1 台 [实验原理] CCD 是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是由金属—氧化物---半导体 （Charge Coupled Device）简称 MOS 构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储 和信息处理，二是用于摄像装置。 这里介绍摄像用的黑白两相线阵 CCD。 1、 黑白两相线阵 CCD 结构简述 黑白两相线阵 CCD 有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用 TCD1200D 型 2160 像 素的 CCD 为例进行简述。结构示意图如下： 它包括摄像机构、两个 CCD 模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。 摄像机构也称摄像区，它具有 2160 个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为 2160 个 MOS 电容，电荷转移电极为 MOS 电容的栅极，通过电荷转移电极给栅极加脉冲电压。光敏元起光 电转换作用，MOS 电容起暂存转换的电荷和向 CCD 模拟移位寄存器转移电荷包的作用。将 2160 个 MOS 电容的奇数位分别与 CCD 转移寄存器 1 相连，偶数位分别与 CCD 转移寄存器 2 相连。 CCD模拟移位寄存器也是由一系列MOS电容组成。移位寄存器 1 和 2 各密排 1080 个，他们

对光不敏感，中、中：为M0S电容的栅极，通过中、中外加脉冲电压上。 光敏元 0独银转移者存活 02 电荷转移电极SH为摄像区OS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平 期间，摄像机构中的M0S电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例 的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS 电容中，奇数位信号转移到移位寄存器1。偶数位信号转移到移位寄存器2。在下一个周期的 低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电 荷，在中、中、脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐 个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。 由场效应管Q、Q构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移为寄存器携带图像 信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。 输出机构接有复位电极S,接到Q,的栅极，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包 尚未输出之前，S上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q栅极复原，准备接收下一 个电荷包 DOS为采样保持电路的控制端，当DOS加适当脉冲电压时，CCD输出信号得到了采样保持。 OS端输出连续信号，DOS加直流电压时，采样保持电路不起作用，0S端输出信号与光强成正 比，通常均用此种情况 2、驱动脉冲及时序要求 要使CCD器件正常工作，至少要在SH、中、中2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲 的周期和时序要满足下图所示要求，图中U为CCD输出信号

对光不敏感，φ1、φ2为MOS电容的栅极，通过φ1、φ2外加脉冲电压上。 电荷转移电极SH为摄像区MOS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平 期间，摄像机构中的MOS电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例 的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS 电容中，奇数位信号转移到移位寄存器 1。偶数位信号转移到移位寄存器 2。在下一个周期的 低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电 荷，在φ1、φ2、脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐 个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。 由场效应管Q1、Q2构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移为寄存器携带图像 信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。 输出机构接有复位电极RS，接到Q1的栅极，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包 尚未输出之前，RS上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q1栅极复原，准备接收下一 个电荷包。 DOS 为采样保持电路的控制端，当 DOS 加适当脉冲电压时，CCD 输出信号得到了采样保持， OS 端输出连续信号，DOS 加直流电压时，采样保持电路不起作用，OS 端输出信号与光强成正 比，通常均用此种情况 2、 驱动脉冲及时序要求 要使CCD器件正常工作，至少要在SH、φ1、φ2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲 的周期和时序要满足下图所示要求，图中U0为CCD输出信号。 2

积分时间 几几几几几Π :几几几几几几几Π几 s几m Uo- +无信号 有信号 ◆无信号 S为电荷转移电极控制脉冲。SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的MOS 电容对光生电子进行积累；SH为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移 位寄存器中，时间很短，所以SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。SH脉冲的周期称 为积分时间。 中、中：为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在SH脉冲的一个周期里 两侧的移位寄存器在中、中驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到 器件外。每当中，或中高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，中移奇数位，中移偶数 位。因此，中、中的位相必须相反。关于电荷传输的原理请参见下一实验。 驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的 时间，中、中的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精 度，太大会使噪声增大。 SH和中、中必须满足：SH的周期等于或稍大于2160/2个中、中脉冲周期，小于时则电 荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度：太大会影响器件的速率。 RS脉冲为复位脉冲，其频率为中、中脉冲频率的两倍。 以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是H、中、中脉 冲之间的关系，当SH为高电平时，中必须同时为高电平，且中必须比SH提前上升，当SH为低 电平时，中必须同时为低电平，且中必须比SH迟后下降。如下图所示： S阳上升、下降时间典型值为： t1=t2=50ns SH和相差时间典型值为 t3=t4=100ns 用模拟示波器是很难测出这些时间的。 实验仪器简介]

SH 为电荷转移电极控制脉冲。SH 为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的 MOS 电容对光生电子进行积累；SH 为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移 位寄存器中，时间很短，所以 SH 脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。SH 脉冲的周期称 为积分时间。 φ1、φ2为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在SH脉冲的一个周期里， 两侧的移位寄存器在φ1、φ2驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到 器件外。每当φ1或φ2高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，φ1移奇数位，φ2移偶数 位。因此，φ1、φ2的位相必须相反。关于电荷传输的原理请参见下一实验。 驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的 时间，φ1、φ2的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精 度，太大会使噪声增大。 SH和φ1、φ2必须满足：SH的周期等于或稍大于 2160/2 个φ1、φ2脉冲周期，小于时则电 荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度；太大会影响器件的速率。 RS脉冲为复位脉冲，其频率为φ1、φ2脉冲频率的两倍。 以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是SH、φ1、φ2脉 冲之间的关系，当SH为高电平时，φ1必须同时为高电平，且φ1必须比SH提前上升，当SH为低 电平时，φ1必须同时为低电平，且φ1必须比SH迟后下降。如下图所示： 用模拟示波器是很难测出这些时间的。 [实验仪器简介] 3

1、TCD1200D线阵CCD图象传感器 特性： 像敏单元数目：2160像元 像敏单元大小：14m×14m×14m(相邻像元中心距14m:) 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： 包含采样保持电路，输出预放大电路 封装形式： 22脚DIP封装 管脚定义 包应应园的应应的白尚 的Os图网啊网网网阿阿 1 1 时钟1 OS 信号输出 中2 时钟2 DOS 补偿输出 SH 转移控制 OD 电源 复位栅 SS 地 NC 空脚 工作条件 特性 符号 最小值 典型值 最大值单位 时钟脉冲电压 高电平 V。 45 5 55 V 低电平 02 05 转移脉冲电压 高电平 5. 低电平 0 0.2 0.5 复位脉冲电压 高由平 4.5 5 55 低电平 0 02 05 电源电压 114 12 时钟脉神频率 fo 0.1 0.5 1.0 复位脉冲频率 f。e 0.2 1.0 2.0 MHZ 2、CCD原理及应用实验箱 板面布置如下图

1、TCD1200D 线阵 CCD 图象传感器 特性： ¾ 像敏单元数目：2160 像元 ¾ 像敏单元大小：14 µm×14 µm×14 µm（相邻像元中心距 14 µm） ¾ 光敏区域： 采用高灵敏度 PN 结作为光敏单元 ¾ 时钟： 二相（5V） ¾ 内部电路： 包含采样保持电路，输出预放大电路 ¾ 封装形式： 22 脚 DIP 封装 管脚定义 ф1 时钟 1 OS 信号输出 ф2 时钟 2 DOS 补偿输出 SH 转移控制栅 OD 电源 RS 复位栅 SS 地 NC 空脚 工作条件： 特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位 时钟脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 Vф 0 0.2 0.5 V 转移脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 VSH 0 0.2 0.5 V 复位脉冲电压 高电平 4.5 5 5.5 低电平 VRS 0 0.2 0.5 V 电源电压 VOD 11.4 12 13 V 时钟脉冲频率 fф 0.1 0.5 1.0 MHZ 复位脉冲频率 fRS 0.2 1.0 2.0 MHZ 2、CCD 原理及应用实验箱 板面布置如下图 4

99 CCD 回回 D32 力 OO 塑劲糊宰积外时问 USE嫩据采集电路 积分时间驱动频率测试区 吕 纽2 m品品 品 CCD驱动电路 信号处理电路 测试区 仪器由六部分组成 CCD驱动电路：产生CCD驱动所需的各种驱动脉冲： 积分时间驱动频率测试电路： 1)调整SH脉冲的周期，按“积分时间”，DSI轮番显示0、1、2、3，对应不同的SH脉 冲周期，0对应最小周期，3对应最大周期： 2)调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2轮番显示0、1、2、3，对 应不同的时钟频率，0对应最大频率，3对应最小频率。 为保证SH脉冲的周期等于或稍大于2160/2个中、中，脉冲周期，调整时钟脉冲频率时， SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。 信号处理电路：用硬件对CCD输出信号进行二值化处理，W1电位器可调整闵值电平。 测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲中、中2、复位脉冲S、CCD输出、二值化处理后信号 U,的输出引出端。 SB数据采集电路：为CCD输出与计算机接口电路，目的是通过软件对CCD输出信号进行 二值化处理。 光源与CCD暗箱：包含光源和CCD传感器，光源用实验箱上的0~12V电源驱动，光强度 可调，CCD传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。 [实验步骤剩 注意：使用多踪示波器检测信号时，示波器与CCD原理应用实验箱应共地

仪器由六部分组成 CCD 驱动电路：产生 CCD 驱动所需的各种驱动脉冲； 积分时间驱动频率测试电路： 1）调整 SH 脉冲的周期，按“积分时间”，DSI 轮番显示 0、1、2、3，对应不同的 SH 脉 冲周期，0 对应最小周期，3 对应最大周期； 2）调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2 轮番显示 0、1、2、3，对 应不同的时钟频率，0 对应最大频率，3 对应最小频率。 为保证SH脉冲的周期等于或稍大于 2160/2 个φ1、φ2脉冲周期，调整时钟脉冲频率时， SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。 信号处理电路：用硬件对 CCD 输出信号进行二值化处理，W1 电位器可调整阈值电平。 测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲φ1、φ2、复位脉冲RS、CCD输出U0、二值化处理后信号 U1的输出引出端。 USB 数据采集电路：为 CCD 输出与计算机接口电路，目的是通过软件对 CCD 输出信号进行 二值化处理。 光源与 CCD 暗箱：包含光源和 CCD 传感器，光源用实验箱上的 0～12V 电源驱动，光强度 可调，CCD 传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。 [实验步骤] 注意：使用多踪示波器检测信号时，示波器与 CCD 原理应用实验箱应共地。 5

1、实验准备 将仪器各部分连接好，打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，用“积分时间”按钮调 整转移脉冲SH周期档为0档，用“驱动频率”按钮调整时钟脉冲频率为0档，观察积分时间 显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按 红色按钮依次由0→1→2→3→0)，用颜率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由 0→1→2→3→0)。然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查CCD驱动器的各路脉冲波 形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验：否则，应请指导教 师进行检查。 2、驱动时序和相位的测量 (1)用CH1探头测试转移脉冲SH,用C1做触发信号，调节扫描速度和同步使之同步 使SH脉冲至少出现一个周期。 (2)用C2探头测试Φ，调节示波器扫描速度展开S,观察Φ，和S的时序和相位是否 符合要求。 (3)用CH1探头测试中，用CH2分别测试中：、RS,观察时序和相位是香符合要求。 3、驱动频率的测量：分别测出各频率挡中、中、S的周期、频率、幅度，填入下表中。 驱动频率 项目 中 中 RS 周期(ms) 0档 频率(Hz) 幅度(V) 周期(ms) 1档 频率(Hz) 幅度(V) 周期(ms) 2档 频率(Hz) 幅度(V) 周期(ms) 3档 频率(Hz) 幅度(V)

6 1、实验准备 将仪器各部分连接好，打开 CCD 原理与应用实验箱的电源开关，用“积分时间”按钮调 整转移脉冲 SH 周期档为 0 档，用“驱动频率”按钮调整时钟脉冲频率为 0 档，观察积分时间 显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为 0 档（按 红色按钮依次由 0→1→2→3→0），用频率设置按钮调整频率为 0 档（按红色按钮依次由 0→1→2→3→0）。然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查 CCD 驱动器的各路脉冲波 形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验；否则，应请指导教 师进行检查。 2、驱动时序和相位的测量 （1） 用 CH1 探头测试转移脉冲 SH，用 CH1 做触发信号，调节扫描速度和同步使之同步， 使 SH 脉冲至少出现一个周期。 （2） 用CH2 探头测试Φ1，调节示波器扫描速度展开HS，观察Φ1和HS的时序和相位是否 符合要求。 （3） 用CH1 探头测试Φ1，用CH2 分别测试Φ2、RS，，观察时序和相位是否符合要求。 3、驱动频率的测量：分别测出各频率挡Φ1、Φ2、RS的周期、频率、幅度，填入下表中。 驱动频率 项目 Φ1 Φ2 RS 周期（ms） 0 档 频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms） 1 档 频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms） 2 档 频率（Hz） 幅度（V） 周期（ms） 3 档 频率（Hz） 幅度（V）

4、积分时间的测量 (1)将频率设为0（档），用CH1观测SH脉冲周期，分别测出各积分时间档位的积分时间。 填入下表中。 (2)再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间。 驱动烦率0档 驱动烦率1档 驱动频率2档 驱动频率3档 积分时间SH周期积分时间SH周期积分时间SH周期积分时间SH周期 (档) (ms) (档) (ms) (档) (ms)(档) (ms) 0 0 10 1 1 3 3 3 5、关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。 [实验思考题 综合测量结果，画出HS、Φ1、中2、RS的波形，说明时序和相位关系，进而说明TCD120OD 的基本工作原理。 >

7 4、 积分时间的测量 （1） 将频率设为 0（档），用 CH1 观测 SH 脉冲周期，分别测出各积分时间档位的积分时间。 填入下表中。 （2）再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间。 驱动频率 0 档 驱动频率 1 档 驱动频率 2 档 驱动频率 3 档 积分时间 （档） SH 周期 （ms） 积分时间 （档） SH 周 期 （ms） 积分时间 （档） SH 周期 （ms） 积分时间 （档） SH 周期 （ms） 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 5、关机结束。关闭 CCD 原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。 [实验思考题] 综合测量结果，画出HS、Φ1、Φ2、RS的波形，说明时序和相位关系，进而说明TCD1200D 的基本工作原理

实验（二)CCD特性测试实验 [实验目的 通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握CCD 的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响。 [实验原理！ 两相线阵CCD电荷传输原理示意图如下： 绝绿体后 半导体村底 开不 门 中高电位中低电位 L d 中1与中2同电位 ☒厂电荷传输 中低电位中2高电位 每一相有两个电极（即原理中的一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个 电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘 体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总 是存于右边那个势井。图b显示了相位相差180°的驱动脉冲中1为高电位，中2为低电位时MOS 电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示中1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动： 图显示了Φ为低电位，中2为高电位时的情况，这时电荷流入中相的势井。当Φ和Φ2电位 再相等时停止流动。 电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随 时间的变化遵循指数衰减规律，只有由中1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电 荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确 定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动 频率有关

实验（二） CCD 特性测试实验 [实验目的] 通过对典型线阵 CCD 在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握 CCD 的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对 CCD 输出信号的影响。 [实验原理] 两相线阵 CCD 电荷传输原理示意图如下： 每一相有两个电极（即原理中的一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个 电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘 体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总 是存于右边那个势井。图b显示了相位相差 180O的驱动脉冲Φ1为高电位，Φ2为低电位时MOS 电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示Φ1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动； 图d显示了Φ1为低电位，Φ2为高电位时的情况，这时电荷流入Φ2相的势井。当Φ1和Φ2电位 再相等时停止流动。 电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随 时间的变化遵循指数衰减规律，只有由Φ1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电 荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确 定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动 频率有关。 8

[实验仪器 1、双踪同步示波器(20Mz以上) 1台 2、CCD原理应用实验箱 1台 [实验内容] 1、不同驱动频率下测量物体的变化： 2、不同积分时间下测量物体的变化。 [实验步骤！ 实验2.1不同频率下测量物体的变化 1、将CCD传感器用电级接入实验箱上的“CCD”接口，利用实验箱面板电源驱动CCD传感器 (电源接口红连红，黑连黑)，将不透光的黑色长条状被测物体放置到CCD传感器底座狭缝中 央，打开实验仪的电源开关。将积分时间开关置于0档，驱动颜率开关置于0档，用C1探 头测量Φ、SH并使之同步。通过CCD传感器圆柱体顶部电源插孔中间的黑色旋钮调节CCD像 敏元的照度，用C2测量输出信号Uo,直至在示波器中观测到正确的输出信号波形0（思考 正确的信号波形应为何种波形？)。观测Φ、SH与Uo的关系，并画出其波形图。 2、积分时间不变化，将驱动频率分别切换为1、2、3档，观察并记录不同驱动频率条件下 的信号波形Uo。 3、分析上述实验现象，并说明驱动频率与输出信号的变化关系。 实验2.2不同积分时间下测量物体的变化 1、将CCD传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口，利用实验箱面板电源驱动CCD传感 器（电源接口红连红，黑连黑），将不透光的黑色长条状被测物体放置到CCD传感器底座狭缝 中央，打开实验仪的电源开关。将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于0档，用C 探头测量Φ、SH并使之同步。通过CCD传感器圆柱体顶部电源插孔中间的黑色旋钮调节CCD 像敏元的照度，用CH2测量输出信号Uo,直至在示波器中观测到正确的输出信号波形U0(思 考正确的信号波形应为何种波形？)。观测中、SH与U0的关系，并画出其波形图。 2、驱动频率不变化，将积分时间分别切换为1、2、3档，观察并记录不同积分时间条件下 的信号波形Uo。 3、分析上述实验现象，并说明积分时间与输出信号的变化关系。 4、关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源

9 [实验仪器] 1、双踪同步示波器（20MHz 以上） 1 台 2、CCD 原理应用实验箱 1 台 [实验内容] 1、不同驱动频率下测量物体的变化； 2、不同积分时间下测量物体的变化。 [实验步骤] 实验 2.1 不同频率下测量物体的变化 1、将 CCD 传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口，利用实验箱面板电源驱动 CCD 传感器 （电源接口红连红，黑连黑），将不透光的黑色长条状被测物体放置到 CCD 传感器底座狭缝中 央，打开实验仪的电源开关。将积分时间开关置于 0 档，驱动频率开关置于 0 档，用 CH1 探 头测量Φ、SH 并使之同步。通过 CCD 传感器圆柱体顶部电源插孔中间的黑色旋钮调节 CCD 像 敏元的照度,用 CH2 测量输出信号 Uo，直至在示波器中观测到正确的输出信号波形 Uo（思考 正确的信号波形应为何种波形？）。观测Φ、SH 与 Uo 的关系，并画出其波形图。 2、积分时间不变化，将驱动频率分别切换为 1、2、3 档，观察并记录不同驱动频率条件下 的信号波形 Uo。 3、分析上述实验现象，并说明驱动频率与输出信号的变化关系。 实验 2.2 不同积分时间下测量物体的变化 1、将 CCD 传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口，利用实验箱面板电源驱动 CCD 传感 器（电源接口红连红，黑连黑），将不透光的黑色长条状被测物体放置到 CCD 传感器底座狭缝 中央，打开实验仪的电源开关。将积分时间开关置于 0 档，驱动频率开关置于 0 档，用 CH1 探头测量Φ、SH 并使之同步。通过 CCD 传感器圆柱体顶部电源插孔中间的黑色旋钮调节 CCD 像敏元的照度,用 CH2 测量输出信号 Uo，直至在示波器中观测到正确的输出信号波形 Uo（思 考正确的信号波形应为何种波形？）。观测Φ、SH 与 Uo 的关系，并画出其波形图。 2、驱动频率不变化，将积分时间分别切换为 1、2、3 档，观察并记录不同积分时间条件下 的信号波形 Uo。 3、分析上述实验现象，并说明积分时间与输出信号的变化关系。 4、关机结束。关闭 CCD 原理应用实验箱电源，关闭示波器电源

实验（三）CCD输出信号的二值化处理实验 [实验目的] 通过该实验，进一步掌握CCD的基本特性，定性了解CCD进行物体测量的方法。 [实验内容] 学习二值化的原理，分析比较二值化前后信号改变。 [实验仪器) 1、CCD原理应用实验箱 1台 2、双踪同步示波器 1台 实验原理] 在CCD输出信号中涵盖了线阵CCD各像元的照度分布和像元位置信号，这在测量物体位 置中显得非常重要。 当将不透明物体放置到CCD上后，我们观测到U0的输出信号如图3.1所示。为了将物体 的边界检测并描述出来，可以采用如图3.2所示的阅值法检测电路。在该电路中，电压比较 器的“+”输入端接CCD输出信号U0,而其另一端接电位可以调整的电位器上，这样便构成 了可调阙值电平的固定阙值二值化电路。 [实验步骤] 阔值电于 Vo- 比较放大器 值电平 调节 51 S2 图3.1 图32 1、打开CCD原理应用实验箱电源，将示波器CH1探头接CCD输出信号U0(用CH1作同步 信号)，C2探头接硬件二值化后的信号U1,比较两路信号。 2、调节阙值调节电位器，观察二值化后的CCD信号的变化情况。 3、关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。 0

实验（三） CCD 输出信号的二值化处理实验 [实验目的] 通过该实验，进一步掌握 CCD 的基本特性，定性了解 CCD 进行物体测量的方法。 [实验内容] 学习二值化的原理，分析比较二值化前后信号改变。 [实验仪器] 1、CCD 原理应用实验箱 1 台 2、 双踪同步示波器 1 台 [实验原理] 在 CCD 输出信号中涵盖了线阵 CCD 各像元的照度分布和像元位置信号，这在测量物体位 置中显得非常重要。 当将不透明物体放置到 CCD 上后，我们观测到 U0 的输出信号如图 3.1 所示。为了将物体 的边界检测并描述出来，可以采用如图 3.2 所示的阈值法检测电路。在该电路中，电压比较 器的“+”输入端接 CCD 输出信号 U0，而其另一端接电位可以调整的电位器上，这样便构成 了可调阈值电平的固定阈值二值化电路。 [实验步骤] 图 3.1 图 3.2 1、打开 CCD 原理应用实验箱电源，将示波器 CH1 探头接 CCD 输出信号 U0(用 CH1 作同步 信号)，CH2 探头接硬件二值化后的信号 U1，比较两路信号。 2、调节阈值调节电位器，观察二值化后的 CCD 信号的变化情况。 3、关机结束。关闭 CCD 原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。 10