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基于线阵CCD的微型光谱仪的设计

余钱平  
【摘要】: 从1666年牛顿通过三棱镜将太阳光分解为七色光开始,光谱仪器的发展已经走过了数百年的时间,光谱仪器的技术一步步走向成熟。光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置,其应用范围几乎覆盖了所有的科学领域,包括医药、化学、地质学、物理及天文学等。 近年来,随着科学技术的发展,微小型光谱仪已成为世界各国的研究热点,与传统大型光谱仪器相比,小型光谱仪具有体积小、重量轻、使用灵活、价格较低等优点,同时小型光谱仪可以作为光电接口设备与光纤探头联合使用,使测量更加方便。因此成为光谱仪发展的重要趋势。 本文首对色散型光谱仪器的基本组成和原理及其基本特性进行了理论分析,根据分析和比较,选用对称的切尔尼一特纳光路系统。然后对线阵CCD图像传感器的应用进行了研究,设计了基于高速线阵CCD图像传感器的微型光谱仪。针对光谱测量的需要,选择东芝公司的3648像元线阵的CCD图像传感器TCD1305P进行光谱信息采集。CCD输出信号经过模拟信号调理电路放大后由模数转换器AD9200转换为数字信号。数字信号传输使用的是主流的USB总线传输,用USB总线接口芯片CH372实现了光谱数据的实时传输。由USB提供微型光谱仪的工作电源,所以只需一根USB数据线就可以让微型光谱仪正常工作,即插即用,便携方便。 FPGA为整个系统的核心,采用FPGA来实现CCD驱动、模数转换驱动、USB数据传输控制和全局控制,采用Protel DXP设计了系统的硬件电路和PCB板,最后使用Verilog HDL硬件描述语言实现了各逻辑模块,利用Modelsim、QuartusⅡ和Synplify软件设计通过仿真测试对设计进行优化,使系统具有较高的可靠性。本设计还充分考虑了电磁兼容性对CCD器件的影响,使CCD受系统噪声的干扰减少到最少,保证其稳定可靠工作。


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