线阵CCD测径系统电路设计

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1、线阵CCD测径系统电路设计 摘要：研究了线阵CCD测径系统的硬件设计。从CCD传感器的电荷产生、转移原理入手，针结CCD传感器的信号特点进行系统硬件设计，完成CCD的驱动电路、信号放大电路、A/D转换电路、数据存储电路及与计算机的数据通信，将CCD表面的亮度变化再现于计算机上。测试结果表明，该系统成功实现了CCD的光电转换、串行数据输出、数据采集与显示，能够用于工业生产中的长度测量。   关键词：CCD传感器相关双采样像素势阱自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，即电荷耦合器件CCD（ChargedCoupledDevice）的广泛应用。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用

2、前景的新技术，成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域，CCD成像技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体）和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。在生产实际中，许多场合需要对一维尺寸进行测量，例如对带、管、条等的测。采取传统的先加工后测量的方法，劳动强度大，信息反馈慢，直

3、接影响了线材的质量和生产效益。因此，必须有一套高精度的实时在线检测系统，一方面可使生产人员及时了解线径的大小及偏差，一方面给生产机构伺服系统提供正比于偏差的反馈量，实现反馈控制。本课题研制了一套用线阵CCD对线材直径进行非接触实时测量的系统，可应用于工业生产中。1CCD电荷的产生、转移原理CCD是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成，每一个光敏像元就是一个MOS电容器。它的突出特点是以电荷用为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。1.1CCD光电转换当在MOS电容器的栅极上加上一个小的正电压时，半导体中的自由空穴被排斥到远离栅极的一边，在SiO2的表面下形成一层电子的耗尽区，当栅压继续增加，耗尽

4、层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做势阱[1]。正栅压进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。 当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生电子-空穴对（硅吸能量释放价电子，形成电子-空穴对），在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底部，电子则积存于半导体表面，这样势阱中就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量入射光强度成正比（CCD饱和的情况除外）。1.2CCD像素输出CCD信号电荷的传输是通过控制各个像素上的电极电压，电荷就会从电压低的电极转移到电压高的电极下，使信号电荷随着电极电压的周期性变化在半导体表面或者体内做定向运动。线阵CCD电荷包只

5、单方向传递，每一个扫描周期，所有像素都沿着电极相继传递，进行像素的水平移动，直到所有像素全部输出。 2线阵CCD没径系统硬件设计本测径系统具有以下特点：（1）采用CCD为EG&GRETICON公司的RL512EC/17线阵传感器芯片；（2）采用高集成度的XC9572PC44芯片产生系统所需的驱动和控制时序逻辑；（3）由外部PC机编程实现对CCD积分、时间、大小和数据采集工作过程的控制；（4）应用了内带采样保持的8位高速并行输出A/D芯片TLC5510进行模数转换；（5）通过计算机串口实现对数据信息的传输。系统结构原理框图如图1所示。系统具体的工作过程：由CPLD产生CCD传感器所需的工作时序

6、，再经时钟驱动电路产生时序和偏置都满足CCD要求的信号，驱动CCD输出模拟视频信号；该信号经放大、A/D转换得到8位数字信号存储于CPLD中，再经芯片NS216C552和MAX202转换为串行数据，输入计算机进行显示。CPLD芯片内部分为两部分：一部分是视频信号处理控制时序发生器，它提供CCD视频信号处理（如A/D转换、数字信号存取等）所需的各种同步控制时序；另一部分是CCD驱动时序发生器。2.1时序信号发生电路本文采用的CCD传感器为EG&GRETICON公司的RL512EC/17线性传感器，具有512个有效像素，像素信号输出方式为串行视频输出。该传感器具有高分辨率、高灵敏度、低噪声、低功

7、耗的特点，最大扫描频率10MHz。 RL512EC/17各驳动信号及输出信号时序如图2所示。驱动CCD所需的信号由CPLD编程产生，本系统采用一片XC9572PC44F芯片实现时序发生器的功能。该系列芯片是Xilinx公司典型的可通过JTAG在线编程的CPLD器件[3]。首先由CPLD产生符合时序要求的初始驱动信号TTLclk和TTLstart，这两路信号必须经后面的偏置电路处理后才能得到最终的驱动信号s、φ