CCD光电测量实验报告

实验课程名称 ________ 电子信息综合实验 ____________ 开课实验室 学

重庆大学物理实验教学中心 _______

院物理年级2012专业班电子信息01

组内成员姓名 ________________ 张益达 ___________

组 长 ________________ 张益达 ________________

设计 日期：2015年10月20日起2015年12月8日止 开课时 间 2015 至2016

学年第_J— 学期

总成绩 教师签名

物理学院学院制

目录

一、 实验目的 ...................................................................... 1 二、 实验原理： .................................................................... 1

1. CCD勺原理、种类、特点、发展、应用 ....................................... 1

1.1 CCD 简介 ............................................................. 1

1.2 CCD工作原理 ......................................................... 1 1.3 CCD的种类 ........................................................... 6 1.4 CCD的发展 ........................................................... 7 1.5 CCD的主要应用 ....................................................... 9 1.6 TCD1206UD的工作原理 ............................................. 10 2. FPGA的特点、应用、设计流程 ............................................. 12

2.1 FPGA 简介 .......................................................... 12

2.2 FPGA的主要应用 ................................................... 12 2.3 FPGA的设计流程 .................................................... 13

三、

设计要求 .................................................................. 14

1. 电路设计 .................................................................. 14 2. CCD驱动信号 ............................................................. 14

四、 实现过程 .................................................................. 15

1. 设计方案： ................................................................ 15

1.1电源部分设计 ........................................................ 15 1.2 CCD驱动电路的设计 ................................................. 16 2. 设计过程 .................................................................. 16

2.1电源部分 ............................................................. 16 2.2 CCD驱动电路部分设计 .............................................. 17

2.3整体电路设计 ......................................................... 18 2.4 PCB板的制作 ....................................................... 18 2.5印制电路的焊接 ...................................................... 19 3. 测试：调试中出现的问题和解决方法 ......................................... 19 3.1调试过程 ............................................................. 19

3.2测试结果 ............................................................. 21 3.3实验设计修正 ......................................................... 23

五、 结果和分析 .................................................................. 24

1. 实验收获 .................................................................. 24 2. 设计的建议 ................................................................ 24

参考文献.......................................................................... 26 组内成员评分 ...................................................................... 27

CCD光电测量综合设计

一、实验目的

本次电子信息综合实验的目的，是完成一个CCD光电测量系统。CCDCharge Coupled

Devices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。CCDS件是一种新型光电转换 器件，

它以电荷作为信号，其基本功能是电荷信号的产生、存储、传输与检测。它主要 由光敏单元、输入结构和输出结果等组成。本次实验使用的的TCD1206U二相线阵CCD 实验设计的最终目的是搭建一个完整的 CCD光电测量系统，可以实现CCDS件对光影关 系的感应，并在示波器上显示其输入输出波形。 完成TCD1206CCD器件驱动电路的设计， 学会用Altium Designer实现简单的工程，理解FPGA特点、应用和设计流程，CCD光电 测量系统的最终实现。

二、实验原理：

1. CCD勺原理、种类、特点、发展、应用

1.1 CCD简介

CCD英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD 图像

传感器，也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCDh植入的微小光敏物质称作像素（Pixel ）。一块CCE上包含的像素数越多，其提供 的画面分辨率也就越高。CCD勺作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。 CCDh有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部 采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

1.2 CCD工作原理 1.2.1电荷存储

构成CCD勺基本单元是M0（金属一氧化物一半导体）电容器，如图 2.1所示。正 像其他电容器一样，MO电容器能够存储电荷。如果 MOS吉构中的半导体是P型，当在 金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称 为表面势或界面势）发生相应变化，附近的 P型硅中多数载流子一空穴被排斥，形成所

1

谓耗尽层，如果栅电压 VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度 耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了电子的 势阱，可以用来存储电子。当半导体表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势 阱或在其邻近，它们变可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层 将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决 于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱 越深。如果没有外来的信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐 填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫做暗电流，所以有别于光照下产生的载流子。 因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。

1.2.2信号电荷的转移

电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，是三相转移电极结构，其原 理如图

2.3所示。如果在三相转移电极 ①1、①2和①3上加如图2.2所示的三相脉冲 电压后，当①1为

高电平（t 1 ）时，由外界注入的信号电荷 ①S被存储于①1电极下 表面的势阱中。在t2时刻，①1变为低电平、①2变为高电平后，①S被转移并被存储 与①2电极下表面势阱中，如图2.3所示的电荷转移过程。依次类推，信号电荷逐极转 移，最后达到输出端。

W»L

图2.2 三相脉冲驱动电压 图2.3电荷的转移过程

应该注意，采用三相电压的目的是为了使信号电荷准确地沿着指向终端的方向移 动。按耗尽层理论，可以证明，转移栅(MOS吉构)电极下半导体表面电子势阱的深度 与氧化层厚度和半导体

2

所掺杂的浓度有关，氧化层厚度越大，势阱越浅；半导体中所掺 杂质浓度越高，势阱越浅。因此，可以利用这种原理在一个电极下势阱中制造势垒以阻 止信号电荷逆向转移，如图2.4 (a)，( b)所示

(a)利用氧化层产生势垒

(b)利用表面掺杂产生势垒

图2.4 两相CCD的电极结构与脉冲波形

按图2.4 (a)，由于同一个电极下氧化层厚度不同，在存储信号电荷的电子势阱“后 面”总存在一个势垒，阻止信号电荷逆向转移。按图

2.4 ( b)，利用在同一个电极下P

型半导体表面局部加有较多的受主杂质(图中以 ++表示)，也会产生同样的阻止信号电 荷逆构转移的势垒。因此，这两种 CCD都可以用波形简单得多的两相驱动脉冲工作，波 形如图2.5所示。

图2.5两相驱动脉冲波形

CCD常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第 N个电极下存的信号

电荷储为QN经一次转移后，转移到第 N+1个电极的信号电荷为QN+1则称

3

(2.1)

为一次转移的转移效率，而称& =1- n为转移失效率。

由于通常CCD勺电极数目很大，为使信号电荷转移到输出端不致有过大损失，一般 要求CCD勺转移效率在0.999或0.9999以上。

影响转移效率的因素很多，尤其是表面

CCD与工作频率、波形、电极结构、工艺

过程甚至信号大小都有关系。由于表面 CCD受存于半导体表面的表面态俘获电子的影 响，其转移效率很难提高到超过 0.9999。为此，人们研制了埋沟道CCD勺新工艺，将电 子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到 了埋沟技术。

0.9999以上。目前以普遍采用

1.2.3电荷的注入与检测

由探测器产生的电压或电流信号需要通过注入极转换成信号电荷，并注入转移电

极。图2.6所示的电路结构和电压脉冲波形是电荷注入的结构原理和波形图注入电荷包 的方法很多，如图2.6所示的结构是常常采用的表面势平衡注入法。图中输入栅

IG加

直流电压VIG,输入二极管ID加反向脉冲电压 ①ID。当①I为个高电平 ①IH期间，①ID 低电平到达后，电子自ID电极注入 ①I和IG电极下；当①ID变为高电平时将在附近 形成深的电子势阱，使多余的电子被会流入该势阱，并经

PN结流入IG。因此，在注入

过程结束后，最终在 ①I电极下电子势阱中留下的电荷与 ①I电极电压 ①IH和IG电压 VIG之差

成比例，故:

AV二①田_ *

QsaAV

(2.3)(2.2)

4

如果探测器产生的信号电压是 VI，则用VI调制VIG，则可得到随VI变化的一系列 信号电荷包

电荷包有多种检出方式，通常采用浮置扩散放大器的输出， 简称FDA法。FDA法输 出结构的基本原理如图2.7所示，图中包括工作电路、工作脉冲波形和输出信号波形。 图中A为浮置扩散极，V0为芯片上的输出放大器管，TR为芯片上的复位管，输出栅 0G 加直流电压V03在其电压下形成导电沟道。

（a）电路；（b）波形

其工作过程是：在终端电极 ①3为高电平期间（信号电荷存储在该电极下），预先 用复位脉冲 ①R导通TR管，使浮置扩散极A置于较高的电平VRD随后①3变为低电平 时，①3电极下的信号电荷QS（电子）经过输出栅0G下导电沟道转移到电极 A上，使 电极A的电压下降△ VA

AVA

二 y

(2,4)

CA

5

CA为浮置扩散极的结电容。下一个复位脉冲 ①R又使A复位于VRD以准备接受下 一个信

号电荷，其输出波形如图2.7所示。

连接成源极输出器的输出晶体管 TO,从源极输出的信号与VA的波形相似。RL为外 接负载电阻。

1.3 CCD的种类

1、 HAD感测器

HAD(HOLE-ACCUMULATION DIOD感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上， 加上

正孔蓄积层，这是SONY虫特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器 表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在 N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道， 使得开口率提高，换句话说，也提高了感度。在

80年代初期，索尼将其领先使用在可

变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。

2、 ON-CHIP MICRO LENS

80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。 为改善

这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积 不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提 咼了开口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、 SUPER HAD CCD

进入90年代后期以来，CCD的单位面积也越来越小，19年开发的微小镜片技术， 已经无法再提升感亮度，如果将 CCDS件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被 提高，画质会受到明显的影响。索尼在 CCD技术的研发上又更进一步，将以前使用微小 镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼 SUPERHADCD 技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为日前的 定了基础。

CCDS本技术奠

4、NEW STRUCTURE CCD

在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多， 使得入

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射到CCDfi件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而CCDS测器的感度将会 降低。1998年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的 镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时 将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直

CCD画面杂讯的讯号不会进入，使

SMEARS性改善。

5、EXVIEW HAD CCD

比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前 为止，

CCDE法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼 在1998年新开发

的“ EXVIEW HAD CCD技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光， 有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利 用“ EXVIEWHAD CCD&件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅 晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直

CCD部分的SMEA成分，也可被收集到传感 器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低[2] 。 1.4 CCD的发展 1.4.1 CCD的发展史

CCD1于1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉•波义耳(Willard S. Boyle) 和乔治•史

密斯(George E. Smith )所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和 半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们 命名为“电荷’气泡’元

件”(Charge \"Bubble\" Devices )。这种装置的特性就是它 能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用

“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组 成数位影像。 到了 70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像， CC□就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体

(Fairchild Semic on ductor)、美国无线电公司(RCA 和德州仪器(Texas In strume nts ) 其中快捷半导体的产品领先上市，于 的平面装置

1974年发表500单元的线性装置和100x100像素

1.4.2 CCD的发展趋势

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CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，弓I起了各国科学界德尔

高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进 展，使得

CCDt素数剧增，分辨力、灵敏度大幅提高，发展速度惊人。线阵 CCD已由第

一代大踏步跃入第二代CCPD光电二极管阵列），其线阵彩色CCD以实现了 10725像素, 阵列的不均匀性小于1%

面阵CCD具有自扫描功能，主要用作图像传感器。一般的出售商品由

4096X 4096

（1600万）像素，性噪比达80dB,暗电流小于25pQcm 2（27 C）,输出分均与性小于1% 像素尺寸为7.5卩mX 7.5卩m探测信号电平为10个电子。

彩色摄像方面，市场上已有 4096X 4096像素高清晰度彩色CC摄像机出售。微光 探测方面，市场上已推出10-9lx，水平分辨力大于700TV线，动态范围4000: 1的CCD 摄像机。

目前国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCDS行拼接，实现 了

2X 104像素超长线阵CCD获得了相当大的动态范围，满足了星 载、机载、空间监 测等要求。

对CCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，

CCE不仅研究水平不断提高，阵列元

数不断增多，CCDS像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高， 摄像机的价格大幅度下降。据 Secuity Management杂志发表的统计数据表明，综合研 究所CCD®像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低

20%~60%又如俄罗斯机器人

推出一种CCDS像机，能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同 类管式摄像机的1/3。价格低廉使CCDg像机应用领迅速扩大。现在不论是信号处理， 还是数字存储，不论是高精度摄影，还是家用摄像，不是民用和是军用，可以说从太空 到海底到处都有CCD勺用武之地。

在图像传感方面的应用，目前还是以低性能 CCD即线阵CCC和30万像素以下的面 阵

CCD为主，多用于办公自动化方面的传真机、复 印机、摄像机和电视对讲机等；工

业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一 体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦查，可 视电话等。至于高性能

CCD对用于医疗、高清晰度广播电视摄像以及天文学、卫星遥感 等太空领域。

在迫切需要的牵引下，CCDS像传感器de产量和销售额逐年大增。CCM后的发展 趋势微型

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化、高速、高灵敏度、多功能化。随着 CCD生能的进一步提高，价格进一步降 低，应用领域会更扩大，特别是在航天、遥感、夜视、侦察、制导、预警等军事领域中 将会大显身手，将对加速武器更新换代 、促进军事装备升级做出重大贡献。

1.5 CCD的主要应用

四十年来，CCDS件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和 非接触测量领域的发展更为迅速。随着 CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广 度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射 在其面上的光线产生相应的电荷信号， 在通过模数转换器芯片转换成“ 0”或“ T的数 字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信 号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效 率可达

70% （能捕捉到70%勺入射光），优于传统菲林（底片）的 2%因此CCD迅速获 得天文学家的

大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后， 依其亮度的强弱在每个 电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光 影，而数码相机或摄影机所用的平面式 CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方 形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单 元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周而复始，直 到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、 储存设备或显示器。

当前，超高分辨率的CCDS片仍相当昂贵，配备3CCD勺静态照相机，其价位往往 超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜。

经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大 型天文台亦不断研发高像素CCD以拍摄极高解像之天体照片。

CCDt天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望 远镜的功

能。方法是让CCD±电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致， 速度也同步, 以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

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一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋 近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用 CCD常以液态氮或半导体 冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。

CCD寸红外线的敏感度造成另一种

效应，各种配备CCD勺数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出 的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进 CCDS低照度的敏感度，甚至对 紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。

温度噪声、暗电流（dark current ）和宇宙辐射都会影响 CCD表面的像素。天文学 家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声， 要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为 \"暗框\"（dark frame ）。然后打开快门， 取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（暗点和亮点等等），得到更清晰的细节。

天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置， 防止外来光线或震动 影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天 文学家利用\"自动导星\"技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴 CCD监测任何影 像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之 CCD!机上。以光学装置把主镜内 部份星光加进相机内另一颗 CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动 调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。

1.6 TCD1206UD的工作原理 1.6.1 TCD1206UD的基本结构

TCD1206U为典型的二相线阵 CCD下图为TCD1206U的基本结构原理图

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表1 TCD120dUD管脚宦义说明

时钟（第一相） 仇 SH RS □S DOS 0D SS NC 时钟（第二相） 转移冊 篁位栅 j 士 口七厶Lp OS | 1 DOS | 2 OD RS ! 4 k J 1 亘1胎 瓦NC 回乱 NC | 5 SJNU IBNC 1存NC 13 NC 补偿输出 电源 地 没有连接 4 i 6 NC '7 NC 工 NC I 9 UINC 2160 IUNC 12. NC NC \\10 NC 1] 圏 2 TCD1206UD外形结构

它由2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列，其中前个和后12个是用作暗电 流检测而被遮蔽的，图中用符号 Dn表示；中间的2160个光电二极管是曝光像敏单元， 图中Sn表示。奇、偶数光敏元分别与两边移位寄存器相连。移位寄存器的每一位（像 素）有两个MOS其中的一个MOST光敏元相连，并接 ①1脉冲，另一个不直接与光敏 元相连，接①2脉冲。其像素数量与光敏元相同。每个光敏单元的尺寸为14^n长、14^m 高，中心距亦为14卩m光敏元阵列总长

30.24mm光敏元的两侧是用作存储信号电荷的 MO电容列（图中存储栅）。MOSfe容阵列两侧

是转移栅电极 SH转移栅的两侧为CCD莫 拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成。

1.6.2工作原理

图4打光土电荷向g电概卞勢阱转移

当光照射光敏元时，由于光电转换原理，可以产生相应的信号电荷并将其存储在势 阱中，这样光敏区因感光而形成一个电像，它与景物相对应。存储的电荷在一定时间后 转移到移位寄存器，相邻2次电荷转移的时间间隔称为积分时间，由于电荷的转移时间

很短，可认为电荷转移的周期便是积分时间，也是光敏元接受光照的时间。当移位寄存 器中①1为高电平，此时SH脉冲也为高电平使 ①1电极下的深势阱与光敏元的存储势 阱沟通，光敏元里的

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信号电荷迅速向两边模拟移位寄存器的 ①1电极控制的MOS单元转

移。然后，SH电平变低，形成浅势阱，光敏元与移位寄存器隔断，光敏元开始将光照量 转化为对应信号电荷量。同时，已转移到移位寄存器中的信号电荷包通过驱动脉冲

①1、

①2的控制，顺次地向图4-1中的左边转移，并经输出部分的OS端输出，输出电压信号 的大小与光敏元中的电荷数成正比，光敏元中的电荷数与光的强度和积分时间成正比。

2. FPGA的特点、应用、设计流程

2.1 FPGA 简介

FPGA（Field — Programmable Gate Array ），即现场可编程门阵列，它是在 PAL GAL CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（

ASIC）

领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器 件门电路数有限的缺点。

2.2 FPGA的主要应用

2.2.1逻辑控制（逻辑接口领域）

传统方向，主要用于通信设备的高速接口电路设计，用

FPGA处理高速接口的协议，

一方

并完成高速的数据收发和交换。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，

面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合 做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的 上的应用也是在通信行业。

FPGA成为首选,到目前为止FPGA勺一半以

2.2.2算法实现（信号处理、图像处理）

数字信号处理方向或者数学计算方向， 很大程度上这一方向已经大大超出了信号处 理的范畴。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂 的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。

2.2.3 SOPC （控制）

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严格意义上来说这个已经在 FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPG/这个平台搭 建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而 已。如果涉及到需要在FPGA故专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识， 而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。目前

SOP（方向发展其

实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为 SOPC以 FPGA为主，或者是在FPGA内 部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在 FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数 的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已 经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。

而且就目前看来SOPC相目关的开发工具还非常的不完善，以 ARM代表的各类嵌入 式处理器开发工具却早已深入人心， 大多数以ARM核心的SOC芯片提供了大多数标准 的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路， 需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需 求。即使目前Xilinx将ARM勺硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观， 不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异 而更多的是靠软件的差异来体现价值的。

2.3 FPGA的设计流程

PGA勺设计流程就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA5片进行开发的过程。 FPGA

勺开发流程一般如图1所示，包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综 合

后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。

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图1 FPGA开发的一般流程

三、设计要求

1. 电路设计

电源部分：要求能够根据所选器件设计出适合该器件的电源，本次实验所选器件电 源均为直流电流于是考虑使用整流滤波电路。

2. CCD马驱动信号

_r

._r^nn[ mirnwumJinrr

SH

I

14

JuuuiMJUuinjuLHJUuuuuuuuuuuajijUJUuuuui

jmijmjuiumjuuuiLuuumuLruiiWLUjL

旣—,

凯

芽

□

Rn

Hl 4-5 -FCDI206LID呃动器的驱动脉冲打输出脉冲谑躍图

15

本次实验选用的CCD器件是TCD1206UD

由于TCD1206U结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗 信号，然后连续输出S1到S2160的有效像素单元信号。第S2160信号输出后，又输出9 个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动数目可以任意的。由于 该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个 ①SH周期中至少要有1118个①1脉冲， 即 TSH>1118T1

SP及①C是为用户提供的控制脉冲，SP与CCD俞出的像元光电信号同步，可用来 做采样

保持控制信号。①C的上升沿对应于CCD勺第一个有效像素单元S1,因而可以用 作行同步。

四、实现过程

1.设计方案：

1.1电源部分设计

根据实验要求以及所学知识，采用整流滤波电路实现由 直流电的转变三端输出，变压器二极管整流桥选用器件：

220V交流电到土 12V和+5V LM78\\79系列三段稳压电路集

成 IC 芯片（包括 LM7812CT LM7809CT LM7805CT LM7912CT

-O

+

直流电源的输入为220V的电网电压，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相 差较大，因而需要通过电源变压器降压。再通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向 的脉动电压。为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想 情况下是可以将交流分量全部滤掉，但是因为受负载影响，加之滤波电路并不能达到理 想效果。还需要加入稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化 的影响。

16

1.2 CCD驱动电路的设计

CC［驱动电路：查看TCD1206U产品手册，采用其典型驱动电路选用器件： PNP管 A1015（三极管，PNP1，在电路中用于放大作用。）74HC04反相器，TCD1206UI的四路 驱动脉冲由CMO逻辑器件74HC04直接提供0.3V到5V的脉冲，因为在芯片的内部已经 设置了电平转换

器。

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图4 4 TCDI2O6LIU强动他路

2.设计过程

2.1电源部分

根据实验要求以及设计方案，我们设计了如下的电源电路:

2 2 ■i. Ffe- LM791KT

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变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大 的直流电源，所以在这里电解电容。

变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一 点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使 C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三 端稳压器的元件。

三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时 可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，

当负载电流大时三端稳压器内的电阻自

动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器 的输出电压保持基本不变。

因为我们要输出5V的电压，所以选用7805, 7805前面的字母可能会因生产厂家不 同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如 几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好 说了，这跟散热条件有很大的关系。

三端稳压器后面接电容，这个电容有滤波和阻尼作用

2.2 CCD驱动电路部分设计

根据实验要求，设计如下驱动电路：

——II ------

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3口-||,

O ■

C91

i h

―—

I CuF

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Z~| inM o

TRI

TCTOI :aa

h,CLJ a口口口生亡 LLJe WK 亡

18

在驱动脉冲的作用下，TCD1206U输出OS信号及DOS言号。将此二路输出信号分别 送到差分放大器OP27的正、反输入端进行差分放大，抑制掉共模的

①R引起的干扰。

2.3整体电路设计

通过设计方案的讨论与完善，设计如下的电路图:

2.4.1布线

利用Altium Designer的布线功能，通过自动布线与手工布线相结合，完成整体电 路的布线图。

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242敷铜

利用Altium Designer

的敷铜功能，选择网格状敷铜，对电路的正反面进行敷铜。

31] J.7in ii Jii-iu 划：]h

ICK

I

口 史f

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正反面敷铜

2.5印制电路的焊接

PCE板制作完成后，利用老师所购买的元件，进行焊接。

焊接完成

3. 测试：调试中出现的问题和解决方法

3.1调试过程

3.1.1问题：软件内缺少三极管 A1015元件，错误使用了其他元件，并采用了错误

的封装

20

解决方法：自行设计了元器件，并且根据实际元件 符合要求的封装。

A1015的封装，在软件内设计了

3.1.2问题：焊接时发现电容 C6处遗漏节点

-DY

C5 4TuF-

J3QuJ

:C7

OND

解决方法：采用电路板外搭桥的方式连接

3.1.3问题：Header2*5 P2封装错误，器件无法插入

【二・・一口迄网口口厂解决方法：采用电路板外接线方式连接 3.1.4问题：在原理电路图阶段，用网络号大小写字母的形式区分 74HC04反相器的

输入、输出信号

iB- gn nn°3 unQ nE UL* da CCCF'- 21

解决方法：用小刀刻掉错误电路，利用导线在电路板外进行连接

3.2测试结果 3.2.1输入信号

04 :Prd=^*^ps

：：：：：：： Fr«q-2SSKHz I ： ： ： CHt 2SMJ

： ： ： ： ： ： ： ： 1«IM MiMps ...... CHI /L20U

输入信号SH

输入信号①1和①2

22

322

输入信号RS

输出信号

有光照时，输出信号OS （黄色）DOS（蓝色）

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无光照时输出信号

由于我们小组的设计错误，在使用 Altium Desiger 软件错误使用了英文字母的大

小写用来区分网络名，导致最后并没有得到正确的实验结果，深表遗憾。

3.3实验设计修正

由于前面出现的种种错误，根源均是设计阶段出现的失误，在此我们重新进行了改 正：PCB板布线如下图

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五、结果和分析

1. 实验收获

1.1初步学会了 PCB制作软件Altium Designer的使用：从最初的建立过程、绘制 原理电路

图、设计软件中缺少的器件、设计对应器件的封装、 直到一个最终的印制电路板的形成。

PCE板的器件布线等等，

1.2学会了直流稳压电源的一种常用设计方法。

1.3进一步理解了 CCD光电测量器件的工作原理，并且掌握了一种典型的

驱动电路。

TCD1206

1.4再一次温习了电子实习中学到的电路板手工焊制技术。

1.5更重要的是，我学到了更多课程之外的知识，那才是更加宝贵的。在实验设计 的初期，我

们小组成员之间的合作并不顺利，随着时间地推移，我们渐渐懂得了团队合 作的意义。在实验设计的后半部分，小组成员之间的合作质量明显提高。由于，中间设 计阶段的种种错误，我们更加深刻地理解了阶段检查与总结在一个项目中的重要意义。 对于一个大型的时间较长的工程而言，阶段性的检查与总结是必不可少。只有经常的自 我检查与反省，才能避免一些由于粗心而引起的不必要的错误。只有这样，整个项目才 能有条不紊地进行下去。

2. 设计的建议

2.1 一定要细心，尤其是在原理电路图的设计阶段，每一个器件的选择，器件之间 的连接，

元器件封装的选择，一定要细心，并多次检查。

2.2 了解软件的背景与规则，不要想当然的理解一个软件的使用，不要从其他软件

进行莫名的习惯迁移，这一次最大的教训就是

Altium Designer软件网络名不区分大小

写。需要养成良好的编程类软件的使用习惯：不要用英文字母大小写用来区别变量网络 等！

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2.3注意阶段性总结与检查。这次的电子信息综合设计实验时间长达 8周。对于这

样长时间的项目，一定要注意阶段性的综合与检查。一者，可以总结前段时间的工作， 检查工作设计中错误并改正，也可以总结前段工作的优秀的方面，继续保持。再者，对 于后面设计工作的安排也可以进行适时地调整，明确下一阶段地工作目标与任务分配。 这样可以更好地完成整个设计实验工作。

2.4在实验设计的过程中，一定要紧跟老师的步伐。老师所拥有的知识以及方法正 是需要我们

去学习的。所以，在实验的过程中，一定要仔细听讲，紧跟老师的步骤。这 样做的好处是能够减少出错的机会。同时，在遇到问题的时候，要积极进行思考，并求 助于老师与同学。

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参考文献

【1】徐孟祥，张尔扬，LVDS与高速PCB设计，电子工程师，2005, 5

【2】赵雅兴，FPGA原理、设计与应用［M］，天津：天津大学出版社， 1999, 16〜 【3】王庆有，光电技术［M］，北京：电子工业出版社， 2005, 1 31、1 38、273-276 【4】TCD1209D手册，Toshiba公司

【5】刘文耀，光电图像处理［M］，北京：电子工业出版社， 27

2002 .122— 1 57 .

组内成员评分

姓名 设计中付出 的努力 创新性贡献 解决关键冋 题对设计的理 解及的贡献 最终的 收获 组内总评 张益达 A A A A A 组长签字： 年 月曰 （五级制A-E）

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