第一章 绪论
1.1 CCD 光电参数测试技术的发展状况
CCD 图像传感器研究背景 CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，是 20 世纪 70 年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验室的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith 于 1970 年首先提出了 CCD 的概念，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态 CCD 的基本理论[5]。近年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD 器件及其应用技术得到了较快的发展，取得了惊人的进步[6]。 目前 CCD 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾[7]。而 CCD 传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了CCD 在高精度测量领域中的应用[8]。因此降低噪声成为改善成像系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地测出 CCD 的噪声也变得极为重要。
第三章 硬件设计......................................12CCD 图像传感器研究背景 CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，是 20 世纪 70 年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验室的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith 于 1970 年首先提出了 CCD 的概念，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态 CCD 的基本理论[5]。近年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，CCD 器件及其应用技术得到了较快的发展，取得了惊人的进步[6]。 目前 CCD 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾[7]。而 CCD 传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了CCD 在高精度测量领域中的应用[8]。因此降低噪声成为改善成像系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地测出 CCD 的噪声也变得极为重要。
国内：国内图像传感器水平和国外差距较大，中电 44 所、西安光机所和中电13 所等单位一直开展或曾开展 CCD 研究[9]。中电 44 所做为唯一一个集设计、工艺、封装、测试以及工程化应用为一体的 CCD 研究单位，具有从事 CCD 技术研究的 6 英寸工艺线和测试仪器设备，是国内唯一的 CCD 研制线，具有相应的在线检测和 CCD 参数测试评价仪器设备[10]，在 CCD 参量测试技术方面处于国内领先水平。44 所主要从事高性能可见光 CCD 极大阵列化、以及多光谱的 CCD 研究，自行研制出的可见 CCD 已实现产品化，其中包括线阵 CCD、帧转移 CCD、全帧转移 CCD、内线转移 CCD、可见光 TDI CCD、高速 CCD 等。
............................
1.2 研究意义
随着大面阵、长线列、多光谱等多种图像传感器应用越来越广泛以及对系统性能要求的提高，CCD 图像传感器驱动技术研究和性能评价技术成为了图像传感应用关注的重点[23]。CCD 图像传感器最基本的工作条件是脉冲驱动时序关系，所以在航空、航天、军事、工业等 CCD 图像传感器应用领域纷纷开展各类 CCD 驱动时序的设计研究[24]。由于 CCD 图像传感器的结构设计、规模大小、功能模式等种类繁多，不同的 CCD 图像传感器的驱动时序不相同，同一 CCD 图像传感器在不同应用场合其驱动时序也有差异[25]。所以要测试某一器件的性能，就必须根据该器件应用相关的工作条件定制设计一套测试电路和配套驱动时序，从而产生繁琐的工作量。
此测试电学系统的设计思路和所应用技术处于国内首创，且为较先进水平。目前国内和国际上针对 CCD 图像传感器的电学测试主要采用两种方式，一是针对各种不同的 CCD 图像传感器单独设计专用的测试电路，二是采用国外公司（如 PI公司等）生产的大型测试设备[26]。前者的劣势主要在于在进行各种 CCD 图像传感器研究和应用过程中，各种专用电路的设计人力投入和生产制造成本较高，且因为设计水平参差不一和电路构建多种多样等原因，各种 CCD 图像传感器的测试参数的一致性和可对比性较差。后者的问题主要在于，一是此类测试设备一般费用昂贵，二是其应用中针对时序较复杂、引脚和图像输出通道较多的器件其应用难度较大，操作过程繁琐，可移植性较差[27]。
随着大面阵、长线列、多光谱等多种图像传感器应用越来越广泛以及对系统性能要求的提高，CCD 图像传感器驱动技术研究和性能评价技术成为了图像传感应用关注的重点[23]。CCD 图像传感器最基本的工作条件是脉冲驱动时序关系，所以在航空、航天、军事、工业等 CCD 图像传感器应用领域纷纷开展各类 CCD 驱动时序的设计研究[24]。由于 CCD 图像传感器的结构设计、规模大小、功能模式等种类繁多，不同的 CCD 图像传感器的驱动时序不相同，同一 CCD 图像传感器在不同应用场合其驱动时序也有差异[25]。所以要测试某一器件的性能，就必须根据该器件应用相关的工作条件定制设计一套测试电路和配套驱动时序，从而产生繁琐的工作量。
此测试电学系统的设计思路和所应用技术处于国内首创，且为较先进水平。目前国内和国际上针对 CCD 图像传感器的电学测试主要采用两种方式，一是针对各种不同的 CCD 图像传感器单独设计专用的测试电路，二是采用国外公司（如 PI公司等）生产的大型测试设备[26]。前者的劣势主要在于在进行各种 CCD 图像传感器研究和应用过程中，各种专用电路的设计人力投入和生产制造成本较高，且因为设计水平参差不一和电路构建多种多样等原因，各种 CCD 图像传感器的测试参数的一致性和可对比性较差。后者的问题主要在于，一是此类测试设备一般费用昂贵，二是其应用中针对时序较复杂、引脚和图像输出通道较多的器件其应用难度较大，操作过程繁琐，可移植性较差[27]。
此设计对于 CCD 图像传感器专业方向的发展具有较重大的意义，也是总结前人几十年中对于 CCD 图像传感器测试电路研究的成果后，再加以整合和创新。是将硬件通用化和时序设计参量化等关键技术应用到测试电路设计工作中的一次尝试，改变了几十年来的 CCD 图像传感器测试电路设计模式，使其规范化和产品化，并尝试通过不断改进和优化设计能够应用于市场推广中。其中采用的通用化垂直转移栅驱动电路和 CCD 参量化时序设计方法为本项目团队首创，并至今仍未发现采用类似方法的国内外产品。国内虽然应用 CCD 图像传感器的单位众多，但多为成像组件和相机的开发研究，单独对于测试电路的开发研究较少[28]。虽有不少单位也提出过通用测试电路的想法或需求，但介于各方面原因至今没有一个方法可行、方便适用的产品或方案被提出。故此设计具有较高的先进性和独创性，也对本行业发展有较大意义。
..........................
第二章 技术分析及实施规划
第二章 技术分析及实施规划
2.1 需求及可行性分析
CCD 图像传感器最基本的工作条件是脉冲驱动时序关系，所以在各中应用领域中纷纷展开了各类 CCD 图像传感器驱动时序的设计研究。由于 CCD 图像传感器结构设计、规模大小、功能模式种类繁多，不同结构的 CCD 图像传感器其驱动时序则不相同，即使同一 CCD 图像传感器在不同应用场合其驱动时序也有差异，所以要评价某一 CCD 图像传感器的性能参数，就必须根据器件结构及应用工作条件的要求，设计一组配套的驱动时序测试电路，从而产生繁琐的工作量及测试电路成本消耗。
CCD 图像传感器最基本的工作条件是脉冲驱动时序关系，所以在各中应用领域中纷纷展开了各类 CCD 图像传感器驱动时序的设计研究。由于 CCD 图像传感器结构设计、规模大小、功能模式种类繁多，不同结构的 CCD 图像传感器其驱动时序则不相同，即使同一 CCD 图像传感器在不同应用场合其驱动时序也有差异，所以要评价某一 CCD 图像传感器的性能参数，就必须根据器件结构及应用工作条件的要求，设计一组配套的驱动时序测试电路，从而产生繁琐的工作量及测试电路成本消耗。
在构建 CCD 通用测试电学系统之前，首先对目前常见和在研的几种典型 CCD器件的工作模式、时序特征和芯片封装进行了分析。
..............................
..............................
2.2 技术难点分析
要设计一套通用 CCD 测试电学系统，需要解决几个方面的技术难点：
1）解决时序设计通用化技术问题
按照以往的设计思路，针对一款 CCD 器件需要采用 FPGA 软件编写驱动时序程序，然后烧写进入硬件 FPGA 电路中，实现该器件的时序设计。但是采用该方式不能实现通用化，所以需要采用一种全新的时序发生方式，能在不更改 FPGA程序的条件下，实现对各类 CCD 器件的时序设计。
首先，通用化时序发生方式需要具备一些条件，该方法既要能实现帧转移器件的快态、慢态转移时序控制，又要能实现内线转移器件三电平控制；既要能实现水平驱动时序相位延迟控制，又要能实现复位信号以及采样信号的精确控制；既要能实现图像采集数据格式编排，又要能实现灵活调节有效数据采集范围。通过对常用 CCD 工作时序特点分析，结合 CCD 参数测试方法和图像数据传输格式，设想了一种参量化时序设计方法。
要设计一套通用 CCD 测试电学系统，需要解决几个方面的技术难点：
1）解决时序设计通用化技术问题
按照以往的设计思路，针对一款 CCD 器件需要采用 FPGA 软件编写驱动时序程序，然后烧写进入硬件 FPGA 电路中，实现该器件的时序设计。但是采用该方式不能实现通用化，所以需要采用一种全新的时序发生方式，能在不更改 FPGA程序的条件下，实现对各类 CCD 器件的时序设计。
首先，通用化时序发生方式需要具备一些条件，该方法既要能实现帧转移器件的快态、慢态转移时序控制，又要能实现内线转移器件三电平控制；既要能实现水平驱动时序相位延迟控制，又要能实现复位信号以及采样信号的精确控制；既要能实现图像采集数据格式编排，又要能实现灵活调节有效数据采集范围。通过对常用 CCD 工作时序特点分析，结合 CCD 参数测试方法和图像数据传输格式，设想了一种参量化时序设计方法。
其次，有了设计理念，还需要把它转化为实际应用程序，并验证其可实现性。通过多次循环仿真和调试验证，针对有限循环时序和无限循环时序作程序优化，最终设计了对参量化 CCD 驱动时序发生的通用 FPGA 程序模块。经过反复测试验证，确定通用时序发生程序模块时钟工作频率为 120MHz。
参量化 CCD 驱动时序设计方法是通过提取了 CCD 驱动时序的时间、状态、周期循环次数等 16 个参量，根据各参量之间的逻辑关系，设计 FPGA 时序发生程序模块，通过上位机对程序模块设置参量值，实现对工作模式、工作频率、相位延迟等时序关系的调节，达到对 CCD 图像传感器各路驱动时序灵活控制的目的。同样采用该方法可实现对信号处理器采样时序和图像采集时序的灵活控制。
参量化 CCD 驱动时序设计方法是通过提取了 CCD 驱动时序的时间、状态、周期循环次数等 16 个参量，根据各参量之间的逻辑关系，设计 FPGA 时序发生程序模块，通过上位机对程序模块设置参量值，实现对工作模式、工作频率、相位延迟等时序关系的调节，达到对 CCD 图像传感器各路驱动时序灵活控制的目的。同样采用该方法可实现对信号处理器采样时序和图像采集时序的灵活控制。
............................
3.1 硬件架构概述............................12
3.2 资源描述...................................13
3.3 电调电路设计................................14
第四章 嵌入式软件设计..............................33
4.1 FPGA 时序设计................................. 33
4.1.1 驱动时序分析.....................................33
4.1.1.1 帧转移器件时序分析.................................33
4.1.1.2 内线转移器件时序分析........................35
第五章 PC 端控制软件的设计...................................48
5.1 功能和界面.....................................48
5.2 使用示例........................51
第六章 应用情况
6.1 应用情况介绍
目前本系统已经完全应用到了本单位的实际工作中，累计应用于项目已达十余个，其中含有核高基、重大专项、科学仪器、型谱、预研和横向产品等众多项目类型。所应用的对应器件类型主要是各种阵列规模的面阵全帧转移 CCD、面阵帧转移 CCD、面阵内线转移 CCD 和 TDI 型 CCD。由于近年来新型号项目中单线阵的 CCD 较少，多为 TDI 型 CCD，故还没有在单线阵 CCD 上使用，但是完全具备兼容能力。同时正在开展 EMCCD 的测试兼容性研究，其最终实现全品内 CCD图像传感器的测试。
在应用的过程中也不断对硬件电路和软件程序进行改进和升级。其中电调电路已升级到 1.2 版本，主要调整了部分电调电路模块的走线，对 MCU 软件程序进行了代码优化；信号处理电路已升级到 2.0 版本，更换了 1.0 版本的 Spartan-6 系列的 XC6SLX75-3FGG676C 型 FPGA，变为了自设计的针对 Xilinx 公司的 A7 系列的 XC7A200T-2FFG1156I 型 FPGA 的核心板与信号处理板插装的形式，同时信号处理板上 A/D 的位置也设计得更靠近模拟前端。驱动板也由 1.0 版本升级到了 3.0版本，改动和优化了部分垂直脉冲的供电，同时优化了走线。
...........................
第七章 总结与展望
7.1 本文的主要贡献
本设计拥有较大的实用意义，如果推广应用有望产生一定的经济价值。相对于国外轻则数百位，贵则上千万的测试系统而言，具有较大的市场竞争力。且应用于本行业的 CCD 图像传感器测试与生产过程中，将大大节省现有电路设计人员的投入和相应硬件电路的生产、调试成本，节省测试电路研发时间，减短研发周期，同时提高测试参数的可靠度、一致性和可对比性。其中所产生的隐性价值，
本设计拥有较大的实用意义，如果推广应用有望产生一定的经济价值。相对于国外轻则数百位，贵则上千万的测试系统而言，具有较大的市场竞争力。且应用于本行业的 CCD 图像传感器测试与生产过程中，将大大节省现有电路设计人员的投入和相应硬件电路的生产、调试成本，节省测试电路研发时间，减短研发周期，同时提高测试参数的可靠度、一致性和可对比性。其中所产生的隐性价值，
就目前而言是难以估量的。
此设计对于 CCD 图像传感器专业方向的发展具有较重大的意义，也是总结前人几十年中对于 CCD 图像传感器测试电路研究的成果后，再加以整合和创新。是将硬件通用化和时序设计参量化等关键技术应用到测试电路设计工作中的一次尝试，改变了几十年来的 CCD 图像传感器测试电路设计模式，使其规范化和产品化，并尝试通过不断改进和优化设计能够应用于市场推广中。
此设计对于 CCD 图像传感器专业方向的发展具有较重大的意义，也是总结前人几十年中对于 CCD 图像传感器测试电路研究的成果后，再加以整合和创新。是将硬件通用化和时序设计参量化等关键技术应用到测试电路设计工作中的一次尝试，改变了几十年来的 CCD 图像传感器测试电路设计模式，使其规范化和产品化，并尝试通过不断改进和优化设计能够应用于市场推广中。
此设计对于未来 CCD 图像传感器技术方向的发展意义重大，主要表现在以下几个方面：
a.规范操作流程、全方位的性能评价、准确的参量测试，为我所将来申报“CCD 测试评价中心”作技术支撑，增强我所在 CCD 测试评价技术在国内的行业竞争力和行业地位。同时具备承接各类 CCD 器件测试评价业务，形成新的经济增长点
b.极强的通用性硬件平台、超强控制软件能力以及智能化测试流程，有力推动我所 CCD 产业化发展进程。
c.把主要的技术人员解放出来开展更深层次的技术研究和工程化组件产品研发，增加我所经济增长点。
d.随着图像传感器的迅猛发展，按照以前的一款芯片对应一个电路设计人员的工作模式，目前的技术人员根本不能承担起源源不断的项目增加。
参考文献（略）
a.规范操作流程、全方位的性能评价、准确的参量测试，为我所将来申报“CCD 测试评价中心”作技术支撑，增强我所在 CCD 测试评价技术在国内的行业竞争力和行业地位。同时具备承接各类 CCD 器件测试评价业务，形成新的经济增长点
b.极强的通用性硬件平台、超强控制软件能力以及智能化测试流程，有力推动我所 CCD 产业化发展进程。
c.把主要的技术人员解放出来开展更深层次的技术研究和工程化组件产品研发，增加我所经济增长点。
d.随着图像传感器的迅猛发展，按照以前的一款芯片对应一个电路设计人员的工作模式，目前的技术人员根本不能承担起源源不断的项目增加。
参考文献（略）