基于CCD的微型光譜儀的設計與研究.pdf

1、光譜儀是一種重要的光譜分析儀器,幾乎所有的科學領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)復雜,不能同時對多個波長進行檢測,特別在野外測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。
　　 本文提出了一種基于CCB的微型光譜儀的系統(tǒng)設計方案。該方案選用CCD為光譜測量的探測器,光學系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結構設計,大大減少了光學系統(tǒng)的體積;在探測系統(tǒng)方面,以現場可編程邏輯門陣列(FP

2、GA)EPM7032設計了CCD驅動和信號采集系統(tǒng)。在FPGA上采用了片上可編程(SOPC)技術,集成了NiosⅡ軟核UART、CPU等功能模塊,整個系統(tǒng)只用一片FPGA資源開發(fā)了CCD驅動電路、A/D采樣控制電路、USB驅動電路等模塊,使整個光譜儀系統(tǒng)實現了單芯片控制。完成了基于USB的微型光譜儀和PC機的通訊,并使用Labview開發(fā)了光譜采集和處理軟件,實現對光譜儀的光譜數據處理、光譜譜線繪制、波長定標相關功能。最后,對本文的系統(tǒng)

3、進行了相關實驗,實驗表明:按照該方案設計的微型光譜儀能同時對多個波長進行測量,整個光譜儀的體積重量達到了設計所要求的微型化、小型化。為了使CCD探測系統(tǒng)能檢測到較寬的光譜范圍,選擇3694個像素的線陣CCD作為探測器件。采用CCD專用A/D轉換芯片MAX1101對CCD輸出信號進行相關及模數轉換處理,轉換后的數字信號暫時儲存在FPGA中,經處理后通過USB總線傳送到上位機,由應用軟件完成光譜數據進一步的分析、處理和顯示。FPGA作為整個

4、系統(tǒng)的核心,完成了CCD驅動時序、MAX1101采樣時序和FT245BM(USB)芯片脈沖控制時序。
　　 采用Protel DXP畫圖完成了系統(tǒng)的原理圖的繪制和PCB板的設計,利用QuartusⅡ、Modelsim和Synplify軟件設計、仿真并實現了各邏輯模塊。使用示波器及嵌入式邏輯分析儀對CCD信號采集系統(tǒng)進行調試,各模塊均能正常工作。結合光學平臺和應用軟件的測試表明,探測系統(tǒng)能清晰分辨汞燈光譜特有的特征譜線,成功地完成