王遠(yuǎn)，張寧，耿振華，徐熙平

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

光譜儀是分析物質(zhì)物理化學(xué)組成的重要分析儀器。傳統(tǒng)光譜儀由于在體積、重量、結(jié)構(gòu)以及掃描時間上都無法達到現(xiàn)場和多波長的同時檢測，僅僅適合在實驗室做一些光譜分析的實驗，工程應(yīng)用價值受限，因此光譜儀的小型化成了研究的主要方向，小型光譜儀具有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)采集和處理速度快、光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場價值［1］。

本系統(tǒng)采用最新的半導(dǎo)體傳感技術(shù)和現(xiàn)代可編程控制技術(shù)進行了光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，對光學(xué)系統(tǒng)、硬件電路與軟件程序進行設(shè)計，結(jié)合光譜儀系統(tǒng)的使用要求，實現(xiàn)光譜儀小型化的目的，主要技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍400～800nm，光譜分辨率0.2nm。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在設(shè)計光路方面，應(yīng)用Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，使成像光線和入射光線在空間內(nèi)的路徑上交疊，這樣做既減小了整體尺寸又可以使光譜像面的位置與光柵、準(zhǔn)直物鏡及狹縫的位置在空間上不發(fā)生干涉。線陣CCD接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 線陣CCD接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

采用這樣對稱的光路結(jié)構(gòu)可提高整個光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和色散能力，在微型光譜儀小型化要求下使得光程更長。同時，該結(jié)構(gòu)可以保證光線在光柵的主截面內(nèi)發(fā)生色散，并且反射鏡系統(tǒng)沒有色差，便于得到平直的譜面。

入射光經(jīng)過分光光柵分光后，照射到線陣CCD上，線陣CCD接收被光柵分離開的光，并轉(zhuǎn)化成電信號，傳送給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過信號處理后通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。FPGA器件除處理信號外，同時還提供給CCD等電路正常工作所需的時序。整個系統(tǒng)由CCD光電換能模塊、信號預(yù)處理模塊、模擬前端、FPGA主控模塊、USB通訊模塊五個模塊組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 CCD器件選擇

在光譜儀系統(tǒng)中探測器選擇的一般原則是：紫外可見光波段選擇CCD、PDA（光電二極管陣列），紫外波段選擇CCD或CMOS，波長為0.9～1.7μm的近紅外則選擇InGaAs。本系統(tǒng)是工作在可見光波段，PDA和CCD相比像素數(shù)少，不滿足系統(tǒng)要求，CMOS和CCD相比靈敏度低，所以選擇CCD傳感器進行光譜信號的轉(zhuǎn)換。

圖3 光譜響應(yīng)曲線

系統(tǒng)光譜測量范圍為400～800nm，光譜分辨率為0.2nm，則要求CCD的像素個數(shù)至少為2000個，通過對比分析，決定采用TCD1703C型線陣CCD，這種類型的CCD器件有效像元數(shù)多、像元寬度小，完全滿足本測量系統(tǒng)對于光敏器件的精度和量程的要求。TCD1703C有效像素為7500個，每個像元的尺寸為長7μm、高7μm、中心距為7μm［2］。TCD1703C的光譜響應(yīng)曲線如圖3所示，滿足系統(tǒng)400～800nm的光譜范圍要求，峰值波長在550nm左右。

CCD的像素中心間距按7μm來計算，則CCD的尺寸為7500*7μm=52.5mm，由此也可計算出分光系統(tǒng)譜面寬度為52.5mm。CCD的像素按照7500有效像素計算，理論分辨率可達到0.06nm，這樣在滿足較寬的光譜范圍的同時也得到較高的理論分辨率。

3 硬件電路組成

硬件電路的主要工作是將經(jīng)過預(yù)處理后的CCD信號進行濾波、相關(guān)雙采樣、增益調(diào)整、ADC量化等處理，由FPGA主控芯片提供各個電路正常工作需要的時鐘，并完成光譜數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3.1 信號預(yù)處理電路

TCD1703C輸出的模擬信號首先經(jīng)過一個射級跟隨器進行功率放大，從而最大限度的濾除低噪聲和暗電流帶來的干擾，然后將電信號送入到使用CLC409芯片所搭建的差分電路進行處理，預(yù)處理電路原理圖如圖4所示。

圖4 預(yù)處理電路原理圖

3.2 模擬前端電路

CCD的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，通過A/D轉(zhuǎn)換，存儲到FIFO（先進先出）存儲器中，等待MCU（微型控制單元）讀取。為了提高信號轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)選用12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器。CCD對于光譜數(shù)據(jù)的采集是批量采集，在短時間內(nèi)完成對全光譜的最快采集速度是CCD光譜分析儀的一大優(yōu)勢，所以要求A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要快，否則會影響光譜分析儀的最小積分時間。因為CCD傳感器的每個像素的輸出波形只在一部分時間內(nèi)是圖像信號，其余時間內(nèi)是復(fù)位電平和干擾。所以為了取出圖像信號并消除干擾，要采用取樣保持電路。本文在設(shè)計CCD外圍電路中采用AD9945芯片。它采用40MHz單通道架構(gòu)，可用于對交錯和逐行掃描區(qū)域CCD陣列的輸出進行采樣和調(diào)節(jié)。AD9945的信號鏈由相關(guān)雙采樣器（CDS）、數(shù)字控制可變增益放大器（VGA）、電平箝位電路和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。為了使CCD信號的直流分量保持在1.5V左右，與3V單電源輸入的AD9945相匹配。AD9945需要一個由0.1μF的外部耦合隔直電容以及內(nèi)置的高精度直流電平恢復(fù)電路來接收CCD的輸入信號。AD9945前端電路如圖5所示。

圖5 AD9945模擬前端電路圖

3.3 數(shù)據(jù)通訊接口電路

結(jié)合系統(tǒng)小型化的特點，采用USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸［3］，通過USB對系統(tǒng)進行供電和通訊，方便實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的傳輸以及CCD工作參數(shù)的配置，并且簡化了光譜儀的結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)采用型號為CY7C68013的USB接口芯片，CY7C68013數(shù)字信號傳輸接口電路圖如圖6所示。

圖6 CY7C68013數(shù)字信號傳輸接口電路圖

芯片工作在Slave FIFO模式下，芯片內(nèi)嵌的8051固件的功能只是完成相關(guān)寄存器的配置以及控制芯片何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051將相關(guān)的寄存器配置完畢，且使芯片工作在Slave FIFO模式下后，F(xiàn)PGA即可按照Slave FIFO的傳輸時序?qū)崿F(xiàn)與主機的高速通訊，整個通訊過程中再不需要8051的參與。

3.4 FPGA主控電路

要使線陣CCD穩(wěn)定可靠的工作，必須設(shè)計出符合CCD正常工作所要求的驅(qū)動時序，時序信號的質(zhì)量直接影響CCD高性能的發(fā)揮及工作的穩(wěn)定性，選用FPGA實現(xiàn)對線陣CCD的時序控制以及對A/D轉(zhuǎn)換和FIFO存儲器的時序協(xié)調(diào)，F(xiàn)PGA同時完成對USB接口芯片的控制，這樣可提高CCD采樣的速度和時序的穩(wěn)定性，并且進一步簡化了電路。

TCD1703C的驅(qū)動由5路脈沖構(gòu)成，分別是轉(zhuǎn)移脈沖SH、復(fù)位脈沖RS、箝位脈沖CP以及時鐘脈沖Φ1、Φ2，利用反相器保持兩者相位差為180°，頻率為20MHz。各驅(qū)動時鐘的相位關(guān)系如圖7所示：

圖7 TCD1703C驅(qū)動脈沖波形圖

為保證CCD正常工作，選擇48MHz有源晶振，XC3S400AN的48MHz時鐘電路如圖8所示。

圖8 XC3S400AN的48MHz時鐘電路

該晶振經(jīng)一個33Ω的電阻接入XC3S400AN全局時鐘管腳，由XC3S400AN內(nèi)部對系統(tǒng)時鐘進行倍頻，產(chǎn)生各種時序信號。TCD1703C的外部硬件電路則采用兩片時鐘驅(qū)動芯片TB62801F來構(gòu)建，該芯片支持電平反轉(zhuǎn)輸出，可去除對電平交叉控制的要求，另外還有對主時鐘的4路時鐘分配驅(qū)動以及4位控制信號緩存，可以穩(wěn)定的驅(qū)動450pF負(fù)載電容，并正常工作于20MHz的高頻。

3.5 實驗分析

用FPGA產(chǎn)生CCD正常工作所需的時鐘信號，在ALTERA的QUARTUS II開發(fā)環(huán)境中進行設(shè)計驗證，用Verilog硬件語言對正常采集所需的時序進行設(shè)計［4，5］，并利用Modelsim仿真軟件對生成的波形進行檢測。

圖9 低壓汞燈光譜

圖10 鈉燈雙黃線光譜實驗結(jié)果

在實驗室條件下，對設(shè)計完成的CCD光譜分析儀系統(tǒng)進行調(diào)試與實驗，分別使用低壓汞燈和鈉燈對光譜波長進行標(biāo)定。低壓汞燈光譜波長的特征譜線分別是404.66nm、407.78nm、435.84nm、546.07nm、576.96nm和579.06nm，對應(yīng)的像素分別是88、147、673、2740、3319、和 3358，光譜測試結(jié)果如圖 9所示。鈉燈雙黃線的波長是589.00nm、589.60nm，對應(yīng)的像素分別為3545和3556，鈉燈雙黃線光譜測試結(jié)果如圖10所示。

通過對測得的低壓汞燈、鈉燈的光譜分析，說明所搭建的光譜儀系統(tǒng)可以完成光譜信號的采集、處理和傳送。系統(tǒng)可以測出低壓汞燈的特征譜線及鈉燈雙黃線，使用該系統(tǒng)對多個不同波長激光器的光譜及半寬反復(fù)測量，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以完成光譜范圍為400nm～800nm波長的測量，分辨率可達到0.2nm，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于CCD光譜分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的新方法，分光系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以TCD1703C線陣CCD為核心，采用XC3S400AN及AD9945為驅(qū)動，光譜數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳輸至上位機進行圖像數(shù)據(jù)的分析處理和顯示，極大的減小了光譜儀尺寸。系統(tǒng)完成后，通過對低壓汞燈光譜和鈉燈光譜進行測試，得到實驗結(jié)果。該光譜儀的光譜范圍為400～800nm，分辨率達0.2nm。說明本文所述的設(shè)計方案能夠完成對波長的測量，可以用于微型化光譜儀的設(shè)計。

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