基于CCD的小型化光譜儀的設計與研究.pdf

1、光譜儀是一種重要的光學儀器，廣泛應用于科學技術(shù)的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光譜儀器結(jié)構(gòu)復雜、體積大，不能做多波長的同時檢測，在很多應用領(lǐng)域受到限制。光譜儀器的小型化是其發(fā)展的必然趨勢。 本文提出了一種基于CCD的小型化光譜儀的設計方案。該方案采用CCD作為光譜探測器，基于折疊Czemy-Tumer結(jié)構(gòu)的光學系統(tǒng)設計，有效地減小了儀器體積；針對該方案，用大容量的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)EPlC3T144C8實現(xiàn)了CCD驅(qū)動與信號采集

2、系統(tǒng)。在FPGA上采用了SOPC技術(shù)，集成了NiosⅡ軟核CPU、LJART、DMA等功能模塊，并使用可編程邏輯資源開發(fā)了CCD驅(qū)動電路、A/D采樣控制電路等模塊，實現(xiàn)了光譜儀的單芯片控制。完成了小型化光譜儀和計算機的串口通訊，并使用VB開發(fā)了光譜采集和分析軟件，實現(xiàn)光譜儀的波長定標、光譜數(shù)據(jù)處理、譜線繪制等功能。最后，對本文的設計進行了模擬實驗，實驗證明：按照該方案設計小型化光譜儀能夠有效減小儀器體積，完成多波長的同時測量。

3、本論文主要做了以下工作： ①采用CCD器件、閃耀光柵和兩個凹面反射鏡設計了一個基于折疊Czemy-Tumer結(jié)構(gòu)的小型的色散系統(tǒng)，通過對光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，確定各元件參數(shù)之間的關(guān)系，確定了小型光譜儀的基本參數(shù)。 ②采用大容量的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列EPlC3T144C8設計了一種新型的、集成度高的CCD驅(qū)動與信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)中CCD驅(qū)動脈沖時序、AD采樣控制時序、數(shù)據(jù)的采集與存儲等功能電路均由FPGA內(nèi)部的邏輯單元產(chǎn)生，

4、測量結(jié)果通過串口傳送給計算機。 ③應用高共模抑制比、高速運算放大器AD8032，采用差分放大形式設計了CCD的視頻信號處理電路。 ④采用Visual Basic 6.0完成了光譜處理軟件設計。該軟件可以實現(xiàn)同下位機的通訊，同時能夠?qū)崿F(xiàn)光譜儀的波長定標、光譜圖的顯示、保存、打印等功能。 本論文主要有以下幾個特點： ①采用多通道檢測器CCD為光電接收元件，采用平面閃耀光柵作為色散元件，在400～800nm的可

5、見光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)快速掃描。測量速度快，獲得一幅光譜圖的最快時間為5.12ms。 ②基于折疊Czerny-Tumer結(jié)構(gòu)的光學系統(tǒng)能夠大大減小儀器體積，滿足儀器小型化設計要求。 ③在設計數(shù)據(jù)采集電路時采用了SOPC技術(shù)，使用NiosIlI軟核CPU、UART、DMA等功能模塊，增加系統(tǒng)的集成度，有效地加快了設計進度，減小電路板面積。 ④在PC機和下位機之間通信時，提出一種針對串口通訊傳輸較大文件的協(xié)議。協(xié)議格式簡單