15七月2025《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路目錄6.1光敏電阻的變換電路基本偏置、恒流電路、恒壓電路6.2光生伏特器件的偏置電路反偏、零偏6.3CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序方法、可編程器件產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序6.4視頻信號(hào)二值化處理電路

閾值法、微分法6.5光電信號(hào)辨向處理與細(xì)分電路第六章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路教學(xué)要求①釋義基本偏置電路、恒流電路、恒壓電路的基本原理；②描述光生伏特器件反向偏置電路輸出特性曲線的靜態(tài)工作點(diǎn)及圖形法輸入輸出求解；③描述視頻信號(hào)二值化處理電路原理及波形圖；④歸納辨向電路的工作原理及時(shí)序圖。線陣CCD驅(qū)動(dòng)模塊線陣CCD第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路CCD照片

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器CCD結(jié)構(gòu)（以P型硅襯底為例）附：CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。在P型硅襯底上生成SiO2絕緣層，氧化硅上淀積并光刻腐蝕出金屬鋁電極作為柵極。工作時(shí)，在柵電極上加上一定的偏壓，形成勢(shì)阱以容納電荷，電荷的多少基本與光強(qiáng)呈線性關(guān)系。電荷讀出時(shí)，在一定相位關(guān)系的移位脈沖的作用下，從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱，直至移出CCD，經(jīng)過(guò)電荷/電壓變換，轉(zhuǎn)換為離散電壓模擬信號(hào)。

離散電壓-低通濾波-采樣保持-量化編碼-采集到計(jì)算機(jī)。

微型鏡頭+濾色片+感光層

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器a）空勢(shì)阱b）填充1/3勢(shì)阱c）全滿勢(shì)阱勢(shì)阱產(chǎn)生勢(shì)阱--存儲(chǔ)電荷

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器電荷的注入--光注入背面照射式光注入的示意圖當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子被柵極電壓排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。正面照射式背面照射式

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器電荷耦合三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器電荷的輸出電流輸出方式電路d

第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路2048像元線陣CCD結(jié)構(gòu)示意圖基本功能是電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移；基本工作是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)；CCD攝像器件可分為線陣和面陣兩大類。線陣CCD多用于一維尺寸檢測(cè)，面陣CCD多用于二維形狀或圖像采集與處理。

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器單溝道、雙溝道線陣CCD

第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路由像敏區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平移位寄存器和輸出部分等構(gòu)成。有效像元數(shù)為754(H)×583(V)；像素單元尺寸(長(zhǎng)×高)為12.0μm×11.5μm；像敏面積為9.05mm×6.70mm。a）面陣CCD管腳圖b）面陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖圖6-13面陣CCD管腳與結(jié)構(gòu)原理圖

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器幀轉(zhuǎn)移面陣CCD

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器SH信號(hào)源（晶振）整形電路（分頻器）邏輯電路（驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器）CR1RSCR2

TCD1206SUP線陣CCD驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出信號(hào)波形圖TCD1206SUP完整的驅(qū)動(dòng)時(shí)序第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路5種邏輯定時(shí)信號(hào)CCD邏輯定時(shí)信號(hào)示意圖CCD邏輯定時(shí)信號(hào)示意圖第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路1、CCD驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序方法直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法，驅(qū)動(dòng)頻率高，但邏輯設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法，調(diào)節(jié)時(shí)序靈活方便、編程簡(jiǎn)單，但通常具有驅(qū)動(dòng)頻率低的缺點(diǎn)。EPROM驅(qū)動(dòng)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法相似。專用IC驅(qū)動(dòng)方法，集成度高、功能強(qiáng)、使用方便，缺點(diǎn)是靈活性不好。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

光積分脈沖信號(hào)的產(chǎn)生CCD光積分脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)賦值PLD光積分部分輸出信號(hào)位置二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)點(diǎn)10100H04H點(diǎn)20101H05H點(diǎn)31100H0CH點(diǎn)41101H0DH點(diǎn)51100H0CH點(diǎn)61101H0DH點(diǎn)70100H04H點(diǎn)80101H05H第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)的產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)示意圖PLD自掃描部分輸出信號(hào)位置二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)點(diǎn)10010H02H點(diǎn)20011H03H點(diǎn)30100H04H點(diǎn)40101H05H第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)的產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)示意圖PLD自掃描部分輸出信號(hào)位置二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)點(diǎn)10010H02H點(diǎn)20011H03H點(diǎn)30100H04H點(diǎn)40101H05H第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路原理圖CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖CCD-TCD1304DG

信號(hào)調(diào)理-AD8032FPGA-Syclone4代EP4CE15AFE-AD9826

時(shí)鐘分配芯片-TB62801F

數(shù)傳控制芯片-CY7C68013電源芯片-LT1764AEQ基準(zhǔn)時(shí)鐘48MHz時(shí)鐘電路

時(shí)鐘分配芯片與TCD1703C接線圖16位A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖傳輸控制電路原理圖第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路三、CCD器件驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)FPGA仿真產(chǎn)生的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

第3章光電檢測(cè)器件七、圖像傳感器

練習(xí)：已知RL2048DKQ(26×13μm2)在250-350nm波段的光照靈敏度為4.5V/μJ?cm-2。今用RL2048DKQ為光電探測(cè)器，采用16位的A/D數(shù)據(jù)采集卡（ADC700轉(zhuǎn)換器件）對(duì)被測(cè)光譜進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)到一條譜線的幅度為12600，譜線的中心位置在1246像元上。設(shè)RL2048DKQ的光積分時(shí)間為0.1S，且在0.1S積分時(shí)間情況下，背景的輸出幅度為2000。當(dāng)測(cè)譜儀已被2條已知譜線標(biāo)定（一條譜線為220nm譜線中心位置在250像元，另一條譜線為440nm譜線中心位置在1550像元）。試計(jì)算該光譜的輻射出射度為多少μW?cm-2？譜線輻射的中心波長(zhǎng)為多少nm？解：設(shè)在250-350nm波段范圍內(nèi)RL2048DKQ的光譜響應(yīng)是均勻的。

1.16位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量的范圍為0-65535（即0216-1），它對(duì)應(yīng)的電壓幅值應(yīng)為（0-10）V。因此，譜線的幅度為12600，背景的幅度為2000的光譜的有效輸出電壓Um應(yīng)為

光譜的輻射出射度應(yīng)為：

=3.6×10-8W.cm-2~

2.根據(jù)標(biāo)定情況，像元的光譜分布應(yīng)為:

被測(cè)譜線距標(biāo)定譜線像元數(shù)為1550-1246=304像元，即在波長(zhǎng)坐標(biāo)上，被測(cè)譜線距標(biāo)定譜線的波長(zhǎng)差為:

Δλ=0.17×304=51.7被測(cè)譜線的峰值波長(zhǎng)λ為:

λm=440-51.7=388.3(nm)第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路1、閾值法比較整形法比較電路原理CCD視頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器形成模擬信號(hào)，輸入比較器與參考電平（閾值）進(jìn)行比較。輸入信號(hào)高于閾值輸出高電平，低于閾值輸出低電平，形成二值化檢測(cè)信號(hào)。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路CCD視頻信號(hào)二值化處理過(guò)程第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路固定閾值法固定閾值法工作原理圖

固定閾值法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。缺點(diǎn)是要求閾值電壓、光源、驅(qū)動(dòng)脈沖穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)提出較高要求。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路浮動(dòng)閾值法浮動(dòng)閾值法工作原理圖電壓比較器的閾值電壓隨測(cè)量系統(tǒng)的光源或隨CCD輸出視頻信號(hào)的幅值浮動(dòng)。這樣，當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起CCD輸出視頻信號(hào)起伏變化時(shí)，可以通過(guò)電路將光源起伏或CCD視頻信號(hào)的變化反饋到閾值上，使閾值電位跟著變化，從而使方波脈沖寬度基本不變。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路2、微分法微分法工作原理圖對(duì)低通濾波信號(hào)進(jìn)行微分處理，則得到的微分脈沖峰值點(diǎn)即為物像的邊沿點(diǎn)。微分法二值化波形圖用這兩個(gè)微分脈沖峰值點(diǎn)作為計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)，在兩個(gè)峰值點(diǎn)間對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)，即可測(cè)出物體寬度。某造紙廠生產(chǎn)的紙張為寬1米的長(zhǎng)條狀，需要切成長(zhǎng)2米/張，根據(jù)下圖裁紙機(jī)和浮動(dòng)閾值二值化處理電路，試設(shè)計(jì)一個(gè)光電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，畫(huà)出系統(tǒng)示意圖，并詳細(xì)闡述其工作原理。（a）浮動(dòng)閾值二值化電路

（b）裁紙機(jī)第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路光源發(fā)出的光被分束鏡分為兩路，一路經(jīng)履帶邊緣透過(guò)被光電檢測(cè)器件接收變成電壓信號(hào)Ui，成為浮動(dòng)閾值電路的輸入端，另一路直接進(jìn)入閾值電路的光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成閾值電壓。當(dāng)紙進(jìn)入接收器視場(chǎng)時(shí)，光電器件輸出光電流減小，引起輸出電壓的跳變，此時(shí)輸出信號(hào)Uo為低電平，裁紙刀下落，紙切斷后，器件又恢復(fù)照亮?xí)r的狀態(tài)，輸出信號(hào)Uo為高電平，裁紙刀抬起，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裁剪。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路四、視頻信號(hào)的二值化處理電路第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)單頻單路干涉儀原理

單頻單路激光干涉儀：用光的波長(zhǎng)作為基準(zhǔn)測(cè)長(zhǎng)度長(zhǎng)度——光程差變化——周期性的呈正弦波變化的光強(qiáng)（干涉條紋）——>放大

整形

計(jì)數(shù)

結(jié)果干涉條紋的光強(qiáng)變化光電器件的輸出電壓變化第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路光電接收原理

干涉條紋每明暗變化一次，光電器件就輸出一個(gè)正弦信號(hào)，所以，正弦信號(hào)的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)位移量是。光電器件輸出信號(hào)電壓為：干涉條紋若變化n次，則位移量為：光電接收原理-可逆計(jì)數(shù)（兩路）第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路前置放大器的原理圖

光電器件可采用硅光敏二極管、硅光敏晶體管和光電倍增管，但從體積小，線路簡(jiǎn)單和靈敏度高等方面考慮，采用硅光敏晶體管為宜。

前置放大器前置放大器調(diào)試時(shí)要使兩路放大器具有相同的幅頻特性和相頻特性。放大器的頻率特性調(diào)整要求為：①改變測(cè)量頭移動(dòng)方向時(shí)相位圓形狀不變；②提高測(cè)量頭移動(dòng)速度時(shí)，相位圓在x，y軸兩個(gè)方向上以同樣的比例變化，圓的形狀不變。

第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路整形電路輸入輸出波形圖

整形電路整形的目的是將干涉條紋的正弦信號(hào)變?yōu)榫匦蚊}沖信號(hào)，以便判向和計(jì)數(shù)。為了得到波形對(duì)稱的矩形波，輸入信號(hào)要滿足：a）輸入正弦信號(hào)的平均值（直流電平）等于；b）輸入正弦信號(hào)的振幅大于

。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路1、光電信號(hào)的辨向處理-以單頻式激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀為例光電信號(hào)辨向處理電路框圖

兩路相位差為的激光干涉信號(hào)分別輸入到光電接收器上，輸出的光電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器，放大整形電路和4倍頻（或稱細(xì)分）電路后，變換為4列矩形波輸出。這些矩形經(jīng)過(guò)方向判別電路以后，按照測(cè)量頭的移動(dòng)方向，獲得加減指令電壓和計(jì)數(shù)脈沖，加減指令電壓控制可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加數(shù)或是減數(shù)，其加或減的數(shù)量為計(jì)數(shù)脈沖有理化后的個(gè)數(shù)。最后，將計(jì)數(shù)器上的二進(jìn)制數(shù)變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)顯示。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路整形電路輸入輸出波形圖

計(jì)數(shù)脈沖的形成兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)倒相后形成4列方波信號(hào)，基本完成了4倍頻的任務(wù)，將4列方波經(jīng)過(guò)微分整形后可以得到左圖所示的計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)測(cè)量頭朝t（+）方向移動(dòng)時(shí)，輸出計(jì)數(shù)脈沖為1，2，3，4；當(dāng)朝t（-）方向移動(dòng)時(shí)，輸出計(jì)數(shù)脈沖為4，3，2，1。測(cè)量頭移動(dòng)方向不同，輸出時(shí)序正好相反，可以根據(jù)這種時(shí)序關(guān)系完成方向辨別的任務(wù)。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路2、電子細(xì)分-自學(xué)內(nèi)容

移相電阻鏈細(xì)分細(xì)分原理

莫爾條紋細(xì)分的方法有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子學(xué)細(xì)分。光學(xué)及機(jī)械細(xì)分是在莫爾條紋的空間域內(nèi)來(lái)考慮的，電子細(xì)分是從時(shí)間域和頻率域內(nèi)解決的，優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)迅速，可以達(dá)到動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。

將兩相位不同的交流電壓施加在電阻鏈（即有多抽頭的電阻分壓器）的兩端，在電阻鏈的各抽頭上，由于電壓合成時(shí)的移相作用，將得到幅度和相位各不相同的一系列電壓。利用這一原理，可以將四相交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成T相交流信號(hào)。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路移相電阻鏈原理框圖K=1，2，3…，第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路電壓向量圖第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路和的關(guān)系最大的差值發(fā)生在的地方，差值約為R的45%。在做近似計(jì)算或在調(diào)試前選定電位器的活動(dòng)結(jié)點(diǎn)位置時(shí)，可考慮引用直線規(guī)律。第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路“并聯(lián)”形式50細(xì)分“并聯(lián)”形式電阻鏈的電路圖第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路“串聯(lián)”形式“串聯(lián)”電阻鏈第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路經(jīng)過(guò)電阻鏈移相之后幅度衰減情況和的關(guān)系曲線第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路細(xì)分典型電路T=32時(shí)的電阻鏈細(xì)分電路實(shí)例第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路細(xì)分波形圖第6章光電檢測(cè)系統(tǒng)典型電路五、光電信號(hào)的辨向處理與細(xì)分電路幅度分割細(xì)