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光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
实验5 线阵 C CD 应用实验
电荷耦合器件（Charge coupled devices）是70年代初期发现的新型集成光电传感器件。
它有线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性。它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取70%以上信息的能力，加之它易于与计算机
配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，使机器走向自动化、智能化的趋势进入现实阶段。
线阵CCD 的工作原理简单，易于掌握，而它在机器视觉领域的地位举足轻重。线阵CCD
通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，尤其是自动化生产过程或生产线上，用作在线非接触光电检测设备或俗称为“电眼”。非接触检测物体的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、光学特性变化、条码信息和其他应用。
本实验共有 9 项实验内容，前 2 项实验属于原理性或认识性实验，实验 3~9 属于典型应用的实验，学生通过这些代表性的应用实验能够充分认识与理解线阵CCD 在工业领域非接触测量工作中的重要地位。
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
（一） 线阵 CCD 原理与驱动特性
一、实验目的
1、 掌握彩色线阵CCD开发应用实验仪的基本操作和功能。
2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD 驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动
脉冲之间的相位关系等测量方法。
3、 通过对典型线阵 CCD 驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵 CCD的基本工作原理，尤其要掌握 RS 复位脉冲与 CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，分析它对
CCD 输出信号的影响。SH转移脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。
二、实验仪器
1. LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD 应用开发实验仪一台；
2. 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台；
3. 双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在 50MHz以上）一台；
三、实验内容及步骤
1．实验预备
（1） 首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V电源插座上；
（2） 取出双踪迹同步示波器的测试探头待用； （3） 打开示波器的电源开关，选择自动测试方式（按下示波器右上角“自动设置”按钮），旋转“垂直设置”旋钮，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；
（4） 通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-Ⅲ实验平台的USB输入端口相连；
图 1-1 线阵 CCD 的参数设置界面
（5） 将 LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD 应用开发实验仪的电源开关打开，红色指示灯亮；
（6）启动计算机， 打开桌面上的快捷方式“线阵CCD”，点击“1-LV”，弹出如图 1-1置”，完成设置工作。 2．观察驱动脉冲相位
所示的执行界面，点击需要设置的参数，该参数会以较大数字显示在下方，用鼠标点击“设
（1） 开机后，先按图 1-1的界面设置好线阵CCD的积分时间和驱动频率等参数，将
其全部设置为“0”档；
（2） 示波器测试笔CH1和CH2分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲（例如CH1 扫
描线在上，CH2在下），然后用CH1为同步输入，对照“附录一”所给出的TCD2252D的驱动
波形进行下面的测试实验。
（3） 测试笔CH1接到仪器面板上的转移脉冲SH 输出端上，按下示波器右上角“自
动设置”按钮，调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，出现三个稳定的尖峰脉冲，即表示示波器以被SH同步。再调节示波器的“水平设置”旋钮下方的“秒/格”旋
钮，使SH脉冲的宽度适合观测，以能够观察到一个或二个周期为最佳。然后，用测试笔CH2
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分别接到仪器表面板上标有“CR1”与“CR2”字样的测试端口，观测SH与CR1、CR2的相位关
系，为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使 SH 的正脉冲展宽，能清楚地观测到SH与CR1、CR2 的相位关系，注意观测SH脉冲的下降沿发生在CR1 脉冲的“高”还是“低”
电平的位置上；
（4） 测试笔CH1移至CR1信号输出端，用示波器探头CH2 分别测量CR2、RS、CP、
SP 信号，观测CR1与 CR2、RS、CP、SP 信号之间的相位关系，注意RS脉冲与 CR1、CR2的
边沿位置关系。
（5） 测试笔CH1探头接CP 信号输出端，用 CH2探头分别测量RS、SP，观测 CP与
RS、SP信号之间的相位关系。
（6） 以上测得的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形对照，分析
实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异。 3．驱动频率和积分时间测量
（1） 用示波器依次测量线阵CCD驱动器的4个档位驱动脉冲CR1、CR2和复位脉冲
RS的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表1-1；
（2） 观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲 RS与CR1之间的相位关系，分析
为什么复位脉冲RS 产生于CR1由高变低之后的一段时间；
表1-1 驱动频率与周期
（3） 观测调整积分时间设置时驱动频率f是否跟随变化？调整驱动频率f 时积分时间
ting是否跟随变化？
（4） 将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“0”档。用测试笔CH1测FC
（以它为同步信号），用测试笔CH2测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周
期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
表1-2 积分时间的测量 驱动频率0 积分周期频率时间 (ms) (Hz) (档) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 驱动频率1 积分周期频率时间 (ms) (Hz) (档)
驱动频率2 积分时间 (档) 周期(ms) 频率(Hz) 驱动频率3 积分周期频率时间 (ms) (Hz) (档) 4．CCD 输出信号的测量
（1） 将实验仪积分时间设置为“0”档，驱动频率设置在“0”档；
（2） 用示波器CH1探头测量 FC信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示2个
FC的周期波形；用 CH2探头测量实验仪的彩色线阵CCD的绿色信号UG输出端子，将实验
仪器顶部的上盖拿掉，用遮挡部分光路的方式改变入射到CCD像面上的光强度。观察UG的
输出信号应该有所变化；
（3） 若将成像物镜遮挡大部或干脆全部盖住，UG的输出信号波形将变为最低的直线；
（4） 保持CH1探头的测量内容不变，调出改变积分时间的软件，进行积分时间的调
整，先逐渐增加积分时间，同时，用CH2 探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信
号在积分时间改变过程中的变化情况；
（5） 分别将CH1 探头接至SH与FC，调节示波器使之同步，观测SH波形和 CCD输
出信号波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系，
比较上述两种相位关系的差异。
（6） 将实验仪的上盖打开，将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖），再将扫描装置拆掉，（将扫描装置上的4个螺丝旋下便可将滚筒拿下），将被测圆柱物体安放到台上的圆
孔处，调整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形，然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响。
（7） 分析为什么积分时间的变化会影响线阵CCD输出信号的幅度。
思考题：
1、 说明RS脉冲、SP脉冲和CP 脉冲的作用，输出信号与CR1、CR2周期的关系。
2、 解释为何在同样参数设置的情况下，彩色线阵CCD输出信号 UR、UG、UB的幅
度会出现较大的差异，差异产生的原因有那些？