基于面阵CCD的高灵敏度光纤光谱仪的设计与实现
发布时间：2022-02-19 22:11
光谱仪是光谱检测技术中的核心仪器。使用它,通过对光谱的测量分析来完成对物质成分和结构等的测量。该测量装置具有测量速度快,精度高,无损测量等优点,已经广泛应用于材料化学,石油化工,光学检测,天文研究,环境检测,航空航天等领域。传统的光谱仪器,体积大、价格昂贵,应用范围局限在科研机构实验室中。近年来,因为生物医学和现代化农业领域存在广泛的需求,急切需要分析仪器朝着微型化,智能化发展。光纤光谱仪的出现很好的满足这些领域对光谱探测的需求,拓宽了光谱分析仪器的应用场景,基于光纤光谱仪的其他仪器也得以快速发展。相比线阵CCD,面阵CCD对光谱响应的灵敏度更高,非常适合要求高量子效率的应用,例如:农药残留检测、DNA检测、荧光检测和拉曼光谱检测等领域。因此,研发基于面阵CCD的高灵敏度光纤光谱仪能够拓宽光谱仪的应用范围,具有重要的实际意义。根据设计要求,结合微型光纤光谱仪的设计原理,论文提出了具体的方案。本次设计中采用日本滨松公司的背照式面阵CCD S11510-1106作为探测器件,光学系统采用了优化的交叉非对称型Czerny-Turner结构获得1nm的光学分辨率。在硬件系统的设计中,采用DC-...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究目的与意义
1.2 课题研究的国内外现状
1.3 课题研究目标
1.4 课题研究内容
1.5 论文的基本结构
第二章 高灵敏度光纤光谱仪系统方案设计
2.1 整体方案设计
2.2 光学系统设计
2.3 光谱数据采集、存储和传输系统
2.4 主要芯片选取
2.4.1 光谱探测器件选取
2.4.2 模数转换芯片选择
2.4.3 时序驱动芯片选择
2.4.4 主控芯片选择
第三章 高灵敏度光纤光谱仪硬件电路的设计
3.1 面阵CCD驱动时序设计
3.1.1 CPLD简介
3.1.2 EPM7064AE
3.2 CCD驱动信号功率放大与电平转换
3.2.1 驱动时序信号功率放大
3.2.2 驱动时序信号电平转换
3.3 CCD信号前端处理与AD转换
3.3.1 双相关采样
3.3.2 增益与基线调整
3.3.3 AD转换
3.4 数据存储电路设计
3.4.1 存储芯片的介绍和工作模式选择
3.5 RS232通讯模块设计
3.6 电源系统设计
3.6.1 系统电源需求分析
3.6.2 DC-DC 和 LDO 工作原理
3.6.3 系统电源方案设计
3.7 PCB设计
第四章 驱动系统软件设计
4.1 CPLD程序设计
4.1.1 Verilog 语言简介
4.1.2 CPLD开发环境简介
4.1.3 CPLD时序设计
4.1.3.1 70进制计数器
4.1.3.2 可预置数的2位二进制计数器
4.1.3.3 13位地址计数器
4.2 STM32固件程序设计
4.2.1 STM32F103VB 介绍
4.2.2 STM32F103软件开发平台
4.3 STM32控制流程
4.4 STM32F103VB 与 PC 之间的 USB 通信
第五章 光谱仪样机组装及配套测量光源的研制
5.1 光谱仪样机组装
5.2 配套测量附件的研制
5.2.1 光源系统构成
5.2.2 恒压驱动模块
5.2.3 复合光源光路设计
5.2.4 实验结果与讨论
第六章 总结与展望
6.1 研究成果
6.2 本次设计的不足和未来的研究方向
参考文献
致谢
攻读学位期间参加的科研项目和成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计[J]. 夏果,吴骕,黄禅,胡明勇,金施群. 光子学报. 2017(04)
[2]高频信号动态测试中的信号完整性分析[J]. 谢锐,裴东兴,姚琴琴. 仪器仪表学报. 2017(03)
[3]基于STM32和CPLD的小型化近紫外CCD光谱仪[J]. 李学青,王双保,王林月. 仪表技术与传感器. 2016(02)
[4]光栅光谱仪光路结构的设计[J]. 陈至坤,王淑香,王玉田,王福斌. 应用光学. 2015(05)
[5]光栅光谱仪光谱响应误差校正[J]. 施建华,伏思华,谢文科. 中国光学. 2014(03)
[6]高分辨率中阶梯光栅光谱仪精确装调与标定[J]. 陈少杰,崔继承,刘玉娟,巴音贺希格,唐玉国. 光谱学与光谱分析. 2012(08)
[7]一种微型光纤光谱仪的研制及其性能测试[J]. 谢炜,裘燕青. 中国计量学院学报. 2012(02)
[8]光栅光谱仪的标定[J]. 陈思,柯福顺,乐永康. 物理实验. 2012(03)
[9]宽光谱Czerny-Turner光谱仪中的彗差与分辨率[J]. 陈谭轩,杨怀栋,陈科新,谭峭峰,金国藩. 光谱学与光谱分析. 2010(06)
[10]PCB电磁兼容设计原则及其实例分析[J]. 王芳. 印制电路信息. 2010(06)
博士论文
[1]开关电源DC/DC变换器电路参数及新拓扑研究[D]. 袁臣虎.天津大学 2012
[2]微型光谱仪系统的研究及其应用[D]. 程梁.浙江大学 2008
硕士论文
[1]CCD光谱数据处理系统的研究[D]. 黄敏超.江南大学 2015
[2]基于STM32的微型光纤光谱仪数据采集系统的设计[D]. 杨浩.浙江工业大学 2013
[3]基于STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统[D]. 魏旭可.中国海洋大学 2012
[4]微型光纤光谱仪的探测接收系统设计[D]. 杨洋.浙江工业大学 2011
[5]高速面阵CCD图像数据采集技术研究[D]. 饶大伟.吉林大学 2010
[6]基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制[D]. 戴笠.湖南大学 2009
[7]开关电源-DC/DC转换器的设计[D]. 朱志勇.电子科技大学 2009
本文编号：3633710
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究目的与意义
1.2 课题研究的国内外现状
1.3 课题研究目标
1.4 课题研究内容
1.5 论文的基本结构
第二章 高灵敏度光纤光谱仪系统方案设计
2.1 整体方案设计
2.2 光学系统设计
2.3 光谱数据采集、存储和传输系统
2.4 主要芯片选取
2.4.1 光谱探测器件选取
2.4.2 模数转换芯片选择
2.4.3 时序驱动芯片选择
2.4.4 主控芯片选择
第三章 高灵敏度光纤光谱仪硬件电路的设计
3.1 面阵CCD驱动时序设计
3.1.1 CPLD简介
3.1.2 EPM7064AE
3.2 CCD驱动信号功率放大与电平转换
3.2.1 驱动时序信号功率放大
3.2.2 驱动时序信号电平转换
3.3 CCD信号前端处理与AD转换
3.3.1 双相关采样
3.3.2 增益与基线调整
3.3.3 AD转换
3.4 数据存储电路设计
3.4.1 存储芯片的介绍和工作模式选择
3.5 RS232通讯模块设计
3.6 电源系统设计
3.6.1 系统电源需求分析
3.6.2 DC-DC 和 LDO 工作原理
3.6.3 系统电源方案设计
3.7 PCB设计
第四章 驱动系统软件设计
4.1 CPLD程序设计
4.1.1 Verilog 语言简介
4.1.2 CPLD开发环境简介
4.1.3 CPLD时序设计
4.1.3.1 70进制计数器
4.1.3.2 可预置数的2位二进制计数器
4.1.3.3 13位地址计数器
4.2 STM32固件程序设计
4.2.1 STM32F103VB 介绍
4.2.2 STM32F103软件开发平台
4.3 STM32控制流程
4.4 STM32F103VB 与 PC 之间的 USB 通信
第五章 光谱仪样机组装及配套测量光源的研制
5.1 光谱仪样机组装
5.2 配套测量附件的研制
5.2.1 光源系统构成
5.2.2 恒压驱动模块
5.2.3 复合光源光路设计
5.2.4 实验结果与讨论
第六章 总结与展望
6.1 研究成果
6.2 本次设计的不足和未来的研究方向
参考文献
致谢
攻读学位期间参加的科研项目和成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计[J]. 夏果,吴骕,黄禅,胡明勇,金施群. 光子学报. 2017(04)
[2]高频信号动态测试中的信号完整性分析[J]. 谢锐,裴东兴,姚琴琴. 仪器仪表学报. 2017(03)
[3]基于STM32和CPLD的小型化近紫外CCD光谱仪[J]. 李学青,王双保,王林月. 仪表技术与传感器. 2016(02)
[4]光栅光谱仪光路结构的设计[J]. 陈至坤,王淑香,王玉田,王福斌. 应用光学. 2015(05)
[5]光栅光谱仪光谱响应误差校正[J]. 施建华,伏思华,谢文科. 中国光学. 2014(03)
[6]高分辨率中阶梯光栅光谱仪精确装调与标定[J]. 陈少杰,崔继承,刘玉娟,巴音贺希格,唐玉国. 光谱学与光谱分析. 2012(08)
[7]一种微型光纤光谱仪的研制及其性能测试[J]. 谢炜,裘燕青. 中国计量学院学报. 2012(02)
[8]光栅光谱仪的标定[J]. 陈思,柯福顺,乐永康. 物理实验. 2012(03)
[9]宽光谱Czerny-Turner光谱仪中的彗差与分辨率[J]. 陈谭轩,杨怀栋,陈科新,谭峭峰,金国藩. 光谱学与光谱分析. 2010(06)
[10]PCB电磁兼容设计原则及其实例分析[J]. 王芳. 印制电路信息. 2010(06)
博士论文
[1]开关电源DC/DC变换器电路参数及新拓扑研究[D]. 袁臣虎.天津大学 2012
[2]微型光谱仪系统的研究及其应用[D]. 程梁.浙江大学 2008
硕士论文
[1]CCD光谱数据处理系统的研究[D]. 黄敏超.江南大学 2015
[2]基于STM32的微型光纤光谱仪数据采集系统的设计[D]. 杨浩.浙江工业大学 2013
[3]基于STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统[D]. 魏旭可.中国海洋大学 2012
[4]微型光纤光谱仪的探测接收系统设计[D]. 杨洋.浙江工业大学 2011
[5]高速面阵CCD图像数据采集技术研究[D]. 饶大伟.吉林大学 2010
[6]基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制[D]. 戴笠.湖南大学 2009
[7]开关电源-DC/DC转换器的设计[D]. 朱志勇.电子科技大学 2009
本文编号：3633710
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