摘 要

线型CCD在尺寸测量应用中有各种优势。要使线型CCD图像传感器能够充分发挥其特性，必须在符合其时序的驱动脉冲下才能够正常的工作才能够实现正常的输出。本论文首先从线型CCD出发，系统地介绍了CCD的基本工作原理、特性及CCD对尺寸测量和其他邻域的应用。然后选择TCD1703C研究，并且对于其基本机构，工作原理还有驱动电路以及驱动脉冲相关参数进行了分析和计算，完成时序驱动电路的设计同时借助VerilogHDL语言编写程序实现功能，并给出了所设计的程序和在QuartusII中的仿真结果。基于FPGA的驱动电路是可再编程的，如果要改变驱动电路的时序，增加或减少某些功能，只需对器件重新编程，在不改变任何硬件的情况下可实现驱动电路的更新换代。仿真结果表明：该驱动电路完全满足设计要求。当其在硬件电路上运行时，整个系统可以正常工作，且精度满足要求

关键词：线型CCD，时序驱动电路，VerilogHDL

Abstract

Linear array CCD has various advantages in size measurement applications. The linear array CCD can give full play to the photoelectric conversion characteristics of CCD under the good coordination with the driving pulse, and output stable and reliable photoelectric signal. In this paper, we first introduce the basic working principle, characteristics of CCD and the application of CCD to size measurement and other neighborhood based on linear array CCD. Then choose TCD1703C research, the specific analysis of its basic structure, working principle and driving circuit, to analyze and calculate the relevant parameters of the driving pulse, complete the design of sequential driving circuit. Using VerilogHDL language program, and gives the design of the program and the simulation results in QuartusII. Based on FPGA is the driving circuit can again programming, if you want to change the timing drive circuit, increase or reduce certain function, only need to reprogram the device without changing any hardware drive circuit of replacement can be realized. The simulation results show that the drive circuit can meet the design requirements. When it is running on the hardware circuit, the whole system can work normally, and the accuracy meets the requirements.

Keywords: linear array CCD,Timing driver circuit,VerilogHDL

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容及结构安排 2

第2章 CCD的基本工作原理 3

2.1 电荷存储、电荷耦合 3

2.1.1 电荷存储 3

2.1.2 电荷耦合 4

2.2 注入电荷及检测电荷的原理分析 6

2.2.1 注入电荷原理分析 6

2.2.2电荷的检测 7

2.3 CCD的特性参数介绍 8

2.3.1 基础参数分析之与 8

2.3.2 驱动（时钟）频率的上下限 9

2.3.3 CCD的基本特性参数 9

2.3.4 CCD的动态范围 9

2.4 本章小结 10

第3章 CCD的分类及应用 11

3.1 CCD的分类 11

3.2 CCD的应用 11

3.3 应用线型CCD尺寸测量的国内外发展水平现状和趋势 12

3.4 本章小结 12

第4章 线型CCD的驱动电路设计 13

4.1 线型CCD器件的选择 13

4.2 TCD1703C图像传感器的介绍 13

4.2.1 TCD1703C的基本结构和主要特性 13

4.2.2 TCD1703C的工作原理 16

4.3 基于FPGA芯片的时序电路的设计和实现 17

4.3.1 CPLD与FPGA的比较分析 17

4.3.2 FPGA设计原理分析 17

4.4 程序设计及仿真 18

4.4.1 计数器count的描述和程序实现 18

4.4.2计数器aa的描述和代码实现 19

4.4.3转移脉冲SH的描述和代码实现 19

4.4.4复位信号RS的描述和代码实现 20

4.4.5钳位信号CP的描述代码实现 21

4.4.6 φ1E，φ2E脉冲信号的描述和代码实现 21

4.4.7基于Quarters II的仿真及其波形 22

4.5 本章小结 23

第5章 总结与展望 24

5.1总结 24

5.2展望 24

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景和意义

CCD(Charage Coupled Device)图像传感器是一种电荷耦合元件，也叫图像控制器，本质上属于半导体器件。宏观角度来说就是将日常生活中我们看的光学图像转换成微观意义上的电信号。这种器件上含有许多微小光敏物质我们称之为像素的东西，我们平时看到的画面越清楚分辨率越高，说明器件上存在的像素越多。所以本质上来讲，CCD其实就是实现了把光信号转换成电荷信号的功能。

CC大致可以分为线型和面型两种（也称为线型面阵），应用在扫瞄器及传真机上的一般属于线性，应用于监视摄影机、摄录影机、数码相机等等多项影像输入产品上的则多属于面型。

根据CCD的不同其应用多有差异，数码相机、摄影机应用的是含格状，其入光率是传统胶片的35倍，也正因为如此CCD在天文方面大展身手，CCD让望远镜实现了纠正追踪误差的功能，还使其比以往有了更大的视角。

CCD图像传感器在自诞生之日起，就广受关注。之后的近半个世纪里，众多高端企业开始实施大量生产，最开始只有十多万像素，发展至今，主流应用中大都是五百多万像素，这是一种飞跃式发展^[1]。但就目前来看超高分辨率的CCD价格仍然是非常昂贵，只有在一些高档照相机上才可能会有应用到。CCD一般都能够接收到红外线，也因此衍生除了很多红外线相关的设备仪器，如红外线影像、夜视仪等等，当然正常情况我们并不希望其接收红外线，因为红外线对于我们的DSP芯片无法识别，一般情况下我们会加滤片滤出红外线^[2]。

1.2 国内外研究现状

CCD图像传感器，是爱因斯坦有关电效应理论“光照射到某些物质上，能够引起其电性质发生变化”的一种验证结果，威拉德·博伊尔和乔治·史密斯是CCD图像传感器的发明者，两位是美国贝尔实验室的科学家。也因此发明获得了科学界最高殊荣：诺贝尔物理学奖。也使我们有机会使用各种数码设备，实现了现如今我们可以随时随地随意的影像记录。

CCD图像传感器的出现，无疑是摄影设备界的革命，对传统胶片产生巨大冲击，取代胶片成为新时代宠儿，同时极大的方便了人们^[11]。根据CCD的不同其应用多有差异，数码相机、摄影机应用的是含格状，其入光率是传统胶片的35倍，也正因为如此CCD在天文方面大展身手，CCD让望远镜实现了纠正追踪误差的功能，还使其比以往有了更大的视角^[3]。在医疗方面也开始发挥其优势，现在的一些显微手术以及一些通过成像来判断病变位置的技术，都与CCD密切相关。现在CCD图像传感器不仅普遍应用在数码照相领域，工业勘测、扫描技术、显微成像等等都需要使用CCD图像传感器，可以说我们现代人的生活已经被CCD包围了。

1.3 主要研究内容及结构安排

本篇论文主要研究内容是研究CCD的实际应用领域和应用原理，分析能驱动CCD正常工作的驱动电路设计，利用FPGA技术进行实现。全文的结构安排如下：

1. 阐述了本次的线性CCD应用研究和驱动电路设计的研究的背景意义以及国内外研究现状；第二章主要介绍CCD的基本工作原理，加强对CCD的深入理解，为后续设计奠定基础，此外还对CCD图像传感器的特性参数，进行了详细介绍；第三章主要分析了CCD的分类，应用和各自的特点，其中对于线型CCD进行了详细分析和理解；第四章为线型CCD图像传感器驱动电路的分析设计，首先是线型CCD图像传感器件的选择，TCD1703C器件芯片基本结构和工作原理详细信息的介绍，然后是通过FPGA可编程器件对于该时序的设计实现分析，最后就是进行代码实现，通过VerilogHDL语言进行编译，并通过Quartus2 13.0软件进行仿真。

第2章 CCD的基本工作原理

2.1 电荷存储、电荷耦合

不同于目前多数的以电压电流为信号载体的元器件，CCD图像传感器最大不同之处是它以电荷作为信号的载体，从某种程度上来说，CCD图像传感器的基本功能本质为电荷的存储和转移。CCD图像传感器主要类型有表面沟道CCD器件和体沟道CCD器件，本文主要分析的是表面沟道CCD图像传感器的基本工作原理^[4]。

2.1.1 电荷存储

从图2.1（a）可以看出，CCD的最小单元采用的是金属-氧化物-半导体的MOS结构。通常，P型半导体内部分布着均匀地空穴。当在金属栅电极G施加一个正电压后形成图2.1（b）所示的情况，P型半导体内部空穴受到排斥开始被移动，其中空白部分形象的称为耗尽区。当增大电压，耗尽区域将向半导体内部扩张延伸，当电压栅极超过阙值电压，半导体内部的电子会因为由于半导体与绝缘体的表面的高势差而被吸引到半导体的表面，从而在半导体的表面附近形成反型层，反型层的层面很薄，但却有很高的电荷浓度，如图2.1（c）所示，反型层的形成原理说明了电荷能够存放在MOS结构中，但是反型层也存在一个缺陷，当栅极电压有零突变到高于半导体阙值电压时，对于轻掺杂半导体由于载流子较少反型层无法即时建立，这种情况下对于耗尽层将进一步向半导体内部延伸，此时，栅极和衬底电压基本都是转移到了耗尽区上。耗尽区如果此时可以得到少数的载流子，耗尽区将缩小，表面势同时也下降，而氧化层的电压则会处于增强的状态。如图2.1为CCD栅极电压变化时，对各个区域影响过程示意图。

图2.1 CCD栅极电压变化示意图

当加上后，半导体和氧化层的低势能使得半导体内部的电子被吸引到二者之间的交界面，在没有反型层电荷电荷时，势阱深度与栅极电压呈现的为线性关系。如图2.2中情况所示，当反型层之中的电荷逐步增多的时候，半导体和氧化层之间的表面势差开始慢慢减小，当反射层电荷多到一定量，表面势此时已经到了其最小值，这时叫做全满势阱，此时的表面势不能继续束缚更多的电子，多余的电子开始“溢出”。

在这个基础上看的话，看来表面势与势阱深度，栅极电压以及氧化层厚度即MOS电容的容量和栅极电压，除此还有横截面积与栅极电压面积都有相关关系^[5]，如图2.2 势阱（a）为空势阱（b）为填充三分之一的势阱（c）为全满势阱所示。MOS存储信号电荷容量公式：

Q=A (2.1)

图2..2 不同势阱类型图

2.1.2 电荷耦合

如图2.3，展示电荷转移的整个过程，四个电极分别加有2v，10v，2v，2v的电压，并且彼此距离不远。初始状况里，电荷存储在加有10V电压的电极下的深势阱里，其他所加电压不大于阙值电压电极下面势阱里不存储电荷，如图2.3(a)所示。经过一段时间各电极上的情况变为如图2.3（b），（2）号电极的电压由初始状况的电压2V变为新电压10V，两个电极下面的势阱也由初始状况的两个，变为现在的一个，原来势阱下面的电荷将开始重新填充这个新的合并势阱，如图2.3（c）所示是电荷转移填充完之后的样子。

再此过程完成后如果改变电极（1）的电压由10V变为2V，则原来处于合并势阱中的电荷将全部转移至电极（2）的势阱中。整体来看可以发现，初始状况的加有10V电压的电极的深势阱及其里面存储的所有电荷都完成了一个向右转移的过程，如图2.3 所示。