【正文】 第一章 緒論 引言 電荷禍合器件 (CCD， Char羅 CoupledDeviee)是一種以電荷 包的形式存儲和傳遞信息的半導(dǎo)體器件，它是由美國貝爾實驗室的 1970年前后發(fā)明的。 傳統(tǒng)光電檢測技術(shù)己難以滿足檢測要求。 本設(shè)計是現(xiàn)代檢測技術(shù)中光電檢測的應(yīng)用，對聲光效應(yīng)和圖像傳感器有機結(jié)合的一套測試儀。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光通過受超聲波擾動的介質(zhì)后發(fā)生衍射，衍射光進入線陣 CCD器件轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)過放大處理和 A/D 轉(zhuǎn)化后輸入到單片機中，最后經(jīng)過 USB100輸入到計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。與此同時，依靠成熟的 MOS集成電路工藝，CCD迅速從實驗室走向了市場。因此它在科研、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事及消費等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為圖像采集及數(shù)字化處理必不可少的器件。而 CCD的種類越來越多，應(yīng)用越來越廣，如何正確地選擇和使用 CCD是我們所要面對的問題。 CCD伴隨著計算機技術(shù)地迅速發(fā)展，在國防及民用工業(yè)等部門引起了人們的極大關(guān)注，尤其是 CCD所具有的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單 、功耗低、便于數(shù)字化等一系列優(yōu)點，更使其在檢測方面的應(yīng)用越來越廣泛。如果說我們這個時代的特征是數(shù)字化生存，那么，信息數(shù)字化技術(shù)無疑是這種“生存”的基本前提條件之一?，F(xiàn)今，多科學(xué)的交叉、融合己是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的突出特色和 必然途徑， CCD圖像掃描、處理科學(xué)無論是在理論上還是在實踐上都存在著巨大的潛力。 CCD的基 本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移，因此， CCD的基本作原理是信號電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測。 近 10年來， CCD的用量以每年 20%的速度遞增。 CCD伴隨著計算機技術(shù)地迅速發(fā)展，在國防及民用工業(yè)等部門引起了人們的極大關(guān)注，尤其是 CCD所具有的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡 單、功耗低、便于數(shù)字化等一系列優(yōu)點，更使其在檢測方面的應(yīng)用越來越廣泛。 主要研究內(nèi)容： (1)研究光電檢測技術(shù)，在深入了解 CCD、特別是線陣 CCD及其傳感器的基本工作原理，驅(qū)動方式和特 點的基礎(chǔ)上，對其在線性光電掃描技術(shù)中的應(yīng)用及與其他應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合方法進行研究。依據(jù)欲選用的線陣 CCD,提出在 CCD信號采集、二值化及結(jié)果顯示等方面的思路和方法，實現(xiàn)初步的圖像檢測。 高單色性：激光光束的單色性好，譜線頻帶窄，因此，在測試系統(tǒng)中使用時，可以通過濾色等手段，有 效濾除和減少測量過程中環(huán)境雜散光對于系統(tǒng)的影響。激勵系統(tǒng)是將能量輸入工作物質(zhì)，使其實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，常用的有光泵、氣體放電激勵、化學(xué)反應(yīng)激勵、熱激勵等。工作電源一般可以采用穩(wěn)定的直流，工頻或射頻交流，在精密測量中，采用直流穩(wěn)壓電源，以獲得穩(wěn)定的激光。但是，半導(dǎo)體激光器對電流要求比較高，受電源波動影響較大。我們所選用的激光器為半導(dǎo)體激光器。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個位相光柵。 設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲波是沿 Y方向傳播的平面縱波，其角頻率為 s? ，波長為 s? ，波矢為 k。由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)折射率的變化由下式?jīng)Q定 : PSn ?? )1( 2 (21) 式中， n為折射 率， S為應(yīng)變， P為光彈系數(shù)。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布拉格角。在布拉格衍射的情況下，一級衍射 光的衍射效率為 : ]2[s in 202 HLPM S??? ? (27) 式中， sP 為超聲波功率， L 和 H 為超聲換能器的長和寬。主要的分類方法包括按入射光和衍射光的偏振特性分類，按聲光互作用長度分類，按聲光器件用途分類三種。對于正常聲光效應(yīng)，衍射光的偏振方向與入射光相同，因而折射率也相同；對于反常聲光效應(yīng)，衍射光的偏振方向與入射光不同，因而折射率也不同。聲光介質(zhì)相當(dāng)于體光柵，對入射光方向要求嚴(yán)格。 （ 3）按聲光器件用途分類 聲光偏轉(zhuǎn)器是 用來控制激光束的偏轉(zhuǎn)方向的。載頻或射頻是高頻，與聲光器件的工作頻率是一致的，用這樣的信號來驅(qū)動聲光器件，可使衍射光強隨待傳輸信號而變化。其驅(qū)動電信號幅度不變，頻率是跳變的，類似于飛點式偏轉(zhuǎn)器 . 聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器是聲波和光波相互作用的一種調(diào)制方法。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 11 圖 24 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)原理 （ 1）驅(qū)動源 （ 2）轉(zhuǎn)換 器 （ 3）超聲波介質(zhì) 由式（ 2— 6） α =2scb vfl ?? （ 2— 9） 式中 bl 為布拉格角， sv 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。如何在現(xiàn)有條件下提高檢測精度與速度成幾何量測量領(lǐng)域的一個研究熱點。 (2)輸入部分，包括一個輸入二極管和一個輸入 柵，它的作用是將信號電荷引入CCD 的第一個轉(zhuǎn)移柵的勢阱中。 典型的 CCD 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示，是由一列光敏元陣列和與之平行的位移寄存器構(gòu)成的。 (a) 單行結(jié)構(gòu) (b) 雙行結(jié)構(gòu) 圖 27 線陣型 CCD 圖像傳感器 CCD 是一種 MOS 結(jié)構(gòu)的新型器件，由金屬（ M） — 氧化物（ O） — 半導(dǎo)體（ S）三層組成一個 MOS 電容。電壓維持時，電荷也保持不變。勢阱的深度與柵極 電壓以及勢阱內(nèi)是否存有電荷有關(guān)。調(diào)整相鄰電極間的電壓，可以使得一個電極下的勢阱比另一個深，則電荷會流向勢阱深的電極下，則實現(xiàn)了電荷按照驅(qū)動脈沖的順序進行轉(zhuǎn) 移。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 15 CCD 的基本特性參數(shù) (1) 電荷轉(zhuǎn)移效率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD性能好壞的重要參數(shù)。 工作頻率的上限，當(dāng)工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需要的時間 t大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間 T/3 ， 那么信號電荷跟不上驅(qū) 動脈沖的變化，將會使轉(zhuǎn)移效率大大下降，因此要求 t=T/3。 (4) 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍由勢阱中可存儲的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個攝像區(qū)域不均勻時更是如此。像位數(shù)高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物體尺寸測量中采用高位數(shù)光敏單元的線陣 CCD器件可以得到更高的測量精度。 (1) TCD1252AP器件的基本結(jié)構(gòu) CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，采用集成電路工藝制成。從結(jié)構(gòu)圖可以看出， TCD1252AP是有兩個轉(zhuǎn)移柵和兩個模擬移位寄存器的雙溝道型線陣器件。這些參數(shù)對于實際應(yīng)用都是很重要的。當(dāng) SH 為低電平時，在φ φ 2 交變后， OS 輸出像元電壓信號，隨后發(fā) RS 脈沖，以便去掉信號輸出緩沖中的殘余電荷，為下一點像素電壓輸出做準(zhǔn)備。在光敏區(qū)進行光積累的同時，模擬移位寄存器在驅(qū)動脈沖φ 1 和φ 2的作用下，將轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的φ 1電極的信號電荷向右轉(zhuǎn)移，在輸出端得到被光強調(diào)制的序列脈沖輸出，如圖 212 中的 OS 信號。如圖 212 所示， OS 端首先輸出 13 個虛設(shè)單元的信號（所謂虛設(shè)單元是沒有光電二極管與之對應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分），然后輸出 24個啞元（啞元是指被遮蔽的光電二極管與之對應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分產(chǎn)生的信號），再輸出 3 個信號（這 3 個信號可因光的斜射而產(chǎn)生電荷信號的輸出，但這 3個信號不能被作為信號處理）后才能輸出 2700 個有效的像敏單元信號。光譜響應(yīng)的峰值波長為 550nm，短波響應(yīng)在 400nm 處大于 70%（實踐證明該器件在 300nm 處仍有較好的響應(yīng)），光譜響應(yīng)的長波限在 1100nm 處響應(yīng)范圍遠(yuǎn)超過了人眼的視覺范圍。但是，這種定義方式不容易計量，為此常采用飽和輸出電壓與暗信號電壓之比代替，即 RD =DRKSATUU （ 2— 11） 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 20 式中， SATU 為 CCD 的飽和輸出電壓， DARKU 為 CCD 沒有光照射時的輸出電壓（暗信號電壓）。 (2) 高速度 (50ns) 低功耗 ( A)!具有 SLEEP(休眠 )功能及 CMOS 技術(shù) ,每一指令執(zhí)行速度可達(dá) 50ns(20MHZ),而耗電則在 1mA (典型功耗 ,WDT 關(guān)閉時為100nA) AVR運用 Harvard結(jié)構(gòu)概念 (具有預(yù)取指令功能 ) , 即對程序存儲和數(shù)據(jù)帶有不同的存儲器和總線當(dāng)執(zhí)行某一指令時 , 下一指令被預(yù)先從程序存儲器中取出 , 這使得指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)被執(zhí)行 。 (6) 程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑懭?(用萬用編程器 ),也可串行在線下載 (ISP)擦寫 , 也就是說不必將 IC拆下拿到萬用編程器上燒錄 , 而可直接在電路板上進行程序修改燒錄等操作 , 方便產(chǎn)品升級 ,尤其是 SMD 封裝 , 更利于產(chǎn)品微型化 。 (10) 同 PIC 一樣可重設(shè)啟動復(fù)位 ,AVR AT90S 系列也有內(nèi)部電源開關(guān)啟動計數(shù)器 ,可將低電平復(fù)位 (/RESET)直接接到 VCC 端 ,當(dāng)電源開時 ,由于利用內(nèi)部的 RC 看門狗定時器可延遲 MCU 啟動執(zhí)行程序 ,這種延時以使 I/O 口穩(wěn)定 后執(zhí)行程序 ,提高單片機工作可靠性 ,同時也可節(jié)省外加復(fù)位延時電路 。 (14) 有串行異步通訊 UART,不占用定時器和 SPI 傳輸功能 ,因其高速故可以工作在一般標(biāo)準(zhǔn)整數(shù)頻率 ,而波特率可達(dá) 576K。 ATMEL 公司的 AT90S1200 則剛剛好滿足了我們的這個要求，它是一個具有 16MHz 時鐘頻率的 8位 RISC 單片機，大多數(shù)指令的指令周期僅為一個時鐘周期，即 。跳主程序 . $0005 start: ldi r16,$08 。 SH 脈寬為 3*3 的指令周期 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 24 ldi r23,$e2 。由于 TCD1252AP 信號檢測采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)。這是一組典型的共模電壓較高、有效差模信號較低的差分信號，信號波形如圖 31 和圖32 所示。VDIFF=G實際工程應(yīng)用中，電路工作在一個很大的噪聲源中．如 50 Hz 交流電源線的噪聲、設(shè)備的開關(guān)噪聲、無線信號的傳輸噪聲，這些干擾信號作用在差分輸入端，將會在輸出端產(chǎn)生一個共模信號，因此差分信號處理除了要求有高的 DC CMRR．還要有高的 AC CMRR。選用該器件可消除采用普通運放和外圍電阻所引起的 輸出信號的溫度漂移。一九九八年以來開始在我國推廣使用。在本芯片工作溫度 (00C700C)范圍內(nèi) .AD轉(zhuǎn)換時間為 10微秒，樣率為66Kbps，具有單 +5V電源工作的方式，且提供 3路內(nèi)置自測方式。其中前四位為模擬通道地址，控制 14通道模擬多路器從11個模擬輸入和 3個內(nèi)部自測電壓中，選通一路送到 采樣一保持電路，該電路從第四個 1/0 CLOCK脈沖的下降沿開始對所選信號進行采樣，直到最后一個 I/0 CLOCK脈沖下降沿。 (2) 轉(zhuǎn)換周期 1/O周期的最后一個 UOC LOCK下降沿之后， EOC變低，采樣值保持不變，轉(zhuǎn)換周期開始，片內(nèi)轉(zhuǎn)換器對采樣值進行逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換，其工作由 I/OCLOCK同步了的內(nèi)部時鐘控制，轉(zhuǎn)換完成后 EOC變高，轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個 1/O周期輸出， 1/O周期和轉(zhuǎn)換周期交替進行，從而可 減小外部的數(shù)字噪聲對轉(zhuǎn)換精度的影響。 因為 USB是串行傳輸，而 USB下一級器件 FIFO需要并行的 8位數(shù)據(jù)，所以設(shè)計串并轉(zhuǎn)換模塊是非常必要的。模塊超小體積，體積約 40mmx27mmx5mm。 TCD2543 在每次 I/O 周期讀取的數(shù)據(jù)都是上次轉(zhuǎn)化的結(jié)果，當(dāng)前的轉(zhuǎn)化結(jié)果在下一個轉(zhuǎn)化周期內(nèi)將被串行移出。下面說明數(shù)據(jù)處理方法。 數(shù)據(jù)記錄及處理： 次數(shù) 0 級光與 1 級光的偏轉(zhuǎn)距離（μ m） L(mm) ? sf （ MHz） sV （ m/s） 1 （ 19051271） 11=6974 2 （ 19201270） 11=7150 3 （ 19391269） 11=7370 4 （ 19681268） 11=7700 5 （ 1557 847） 11=7810 6 （ 20461275） 11=8481 7 （ 20661281） 11=8635 8 （ 21091290） 11=9009 3 5 9 9 . 3 7 /3 6 3 2 3 5 9 9 . 3 7 1 0 0 % 0 . 9 0 %3632ssssV m sVVV??? ?? ? ? ?相對誤差 利用坐標(biāo)紙或計算機辦公軟件繪制出 ? 和 sf 的聲光偏轉(zhuǎn)關(guān)系曲線圖 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 35 入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線859095100105110115120 偏轉(zhuǎn)角度超聲波頻率 在布喇格衍射下，固定超聲波功率，測量衍