基于CCD的微型光譜儀的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、光譜儀是一種重要的光譜分析儀器,幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域都有光譜儀的身影。由于傳統(tǒng)光譜儀體積大、重量重而且系統(tǒng)復(fù)雜,不能同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè),特別在野外測(cè)量受到了極大的限制。光譜儀器的微型化、小型化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　 本文提出了一種基于CCB的微型光譜儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案選用CCD為光譜測(cè)量的探測(cè)器,光學(xué)系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),大大減少了光學(xué)系統(tǒng)的體積;在探測(cè)系統(tǒng)方面,以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FP

2、GA)EPM7032設(shè)計(jì)了CCD驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。在FPGA上采用了片上可編程(SOPC)技術(shù),集成了NiosⅡ軟核UART、CPU等功能模塊,整個(gè)系統(tǒng)只用一片F(xiàn)PGA資源開發(fā)了CCD驅(qū)動(dòng)電路、A/D采樣控制電路、USB驅(qū)動(dòng)電路等模塊,使整個(gè)光譜儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單芯片控制。完成了基于USB的微型光譜儀和PC機(jī)的通訊,并使用Labview開發(fā)了光譜采集和處理軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜儀的光譜數(shù)據(jù)處理、光譜譜線繪制、波長(zhǎng)定標(biāo)相關(guān)功能。最后,對(duì)本文的系統(tǒng)

3、進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明:按照該方案設(shè)計(jì)的微型光譜儀能同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量,整個(gè)光譜儀的體積重量達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的微型化、小型化。為了使CCD探測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到較寬的光譜范圍,選擇3694個(gè)像素的線陣CCD作為探測(cè)器件。采用CCD專用A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1101對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存在FPGA中,經(jīng)處理后通過USB總線傳送到上位機(jī),由應(yīng)用軟件完成光譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析、處理和顯示。FPGA作為整個(gè)

4、系統(tǒng)的核心,完成了CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序、MAX1101采樣時(shí)序和FT245BM(USB)芯片脈沖控制時(shí)序。
　　 采用Protel DXP畫圖完成了系統(tǒng)的原理圖的繪制和PCB板的設(shè)計(jì),利用QuartusⅡ、Modelsim和Synplify軟件設(shè)計(jì)、仿真并實(shí)現(xiàn)了各邏輯模塊。使用示波器及嵌入式邏輯分析儀對(duì)CCD信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,各模塊均能正常工作。結(jié)合光學(xué)平臺(tái)和應(yīng)用軟件的測(cè)試表明,探測(cè)系統(tǒng)能清晰分辨汞燈光譜特有的特征譜線,成功地完成