CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图 [1]1

布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。

2.1.4 CCD信号处理及二值化处理:

在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。

二值化处理后输出的信号为二值化信号。二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。

电荷耦合器件(CCD)具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接触测量中得到了广泛应用。它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分布一次采样后、以电信号形式串行输出[1]。为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令速度相对较慢。对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为 6MHz，多数指令执行周期都超过了1us[2].

2.1.5 CCD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。

2.1.6 CCD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。

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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）。

2.1.7 CCD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。

2.1.8 线阵CCD图象传感器的选择：

本系统采用TCD1280AP线阵CCD作为图像传感器。TCD1280AP具有2160个像敏单元数，像元尺寸及间距为14μm×14μm；TCD1280AP具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的5V，是二相输出的线阵CCD器件。主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1280AP传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、φ1、φ2).

TCD1280APC的主要技术指标： 像敏单元数 2160像元总长 52.5mm 像元中心距 0.007mm 驱动频率 20MHz 行周期 1ms 响应度 15V/1x.s 动态范围 1660

TCD1280AP主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1208AP传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、Ф1、Ф2)。时序图如图2-1所示。

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图2-1 TCD1208AP 传感器时序图

由时序图可以看出，芯片正常工作需要四路驱动信号，即：转移信号SH，其周期为光信号的积分时间tINT（INTEGRATION TIME）；复位信号RS，时钟频率标准值为1MHz；两相移位时钟信号Φ1、Φ2，时钟频率为0.5MHz。TCD1208AP有2160个像素单元，正常工作时要有52个虚设单元输出（DUMMY OUTPUTS）信号。因为该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少要有1106（2212/2=1106）个Φ1脉冲，即TSH> 1106TΦ1。由时序图可以看出，当SH信号高电平期间，CCD积累的信号电荷包通过转移栅进入移位寄存器，移位脉冲Φ1、Φ2要求保持一个高和低的电平状态。

2.2 放大滤波及A/D转换

TCD1208AP传感器输出信号OS有以下特点: 负极性信号

包含有周期性的复位脉冲串扰 有效信号幅值较小

CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器,必须先从硬件上对其进行一系列的预处理,消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰,因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中,选用一片CA3450运算放大器进行反向、放大;并在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以被送入A/D转换器进行数字化处理。8位、高速、并行闪速结构的A/D转换芯片(CA3318CE)的转换速率(最大为15MHz)完全可以满足CCD(1MHz)的工作要求,利用A/D转换技术将信号转换成与之相应的、能够反应图像灰度变化的数字量,提高了测量精度和分辨率。当CA3318CE的输出使能有效时,就可以将A/D转换结果送至8位数据线上。这样,在数据存储器写允许及地址有效的前提下,就能将数

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据写入数据存储器SRAM中。

2.2.1 放大电路

（1） 放大电路的用途和组成:

能够把微弱的信号放大的电路叫做放大电路或放大器。例如助听器里的关键部件就是一个放大器。放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按频率分为低频、中频和高频：按输出信号强弱分成电压放大、功率放大等。此外还有用集成运算放大器和特殊晶体管作器件的放大器。它是电子电路中最复杂多变的电路。但初学者经常遇到的也只是少数几种较典型的放大电路。

读放大电路图时也还是按照“逐级分解、抓住关键、细致分析、全面综合”的原则和步骤进行。首先把整个放大电路按输入、输出逐级分开，然后逐级抓住关键进行分析弄通原理。放大电路有它本身的特点：一是有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析，二是电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。

（2） 本系统放大器的选项择：

本系统放大器的选用CA3450运算放大器。 2.2.2 滤波电路

（1） 滤波电路的基础知识：

滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过；而使规定范围之外的信号不能通过。

滤波电路的分类：（按工作频率的不同）

低通滤波器：允许低频率的信号通过，将高频信号衰减 高通滤波器：允许高频信号通过，将低频信号衰减。

带通滤波器：允许一定频带范围内的信号通过，将此频带外的信号衰减。 带阻滤波器：阻止某一频带范围内的信号通过，而允许此频带以外的信号衰减。 我们在电路分析课程中已学习了，利用电阻、电容等无源器件构成的滤波电路，但它有很大的缺陷如：电路增益小；驱动负载能力差等。

（2） 本系统滤波电路的选用：

本系统选用在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。 2.2.3 A/D转换

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