基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究

发布时间：2017-06-15 09:14

  本文关键词：基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 光谱仪是一种重要的光学仪器,广泛应用于科学技术的各个领域。传统的光谱仪器结构复杂、体积大,不能做多波长的同时检测,在很多应用领域受到限制。光谱仪器的小型化是其发展的必然趋势。 本文提出了一种基于CCD的小型化光谱仪的设计方案。该方案采用CCD作为光谱探测器,基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统设计,有效地减小了仪器体积;针对该方案,用大容量的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)EP1C3T144C8实现了CCD驱动与信号采集系统。在FPGA上采用了SOPC技术,集成了NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,并使用可编程逻辑资源开发了CCD驱动电路、A/D采样控制电路等模块,实现了光谱仪的单芯片控制。完成了小型化光谱仪和计算机的串口通讯,并使用VB开发了光谱采集和分析软件,实现光谱仪的波长定标、光谱数据处理、谱线绘制等功能。最后,对本文的设计进行了模拟实验,实验证明:按照该方案设计小型化光谱仪能够有效减小仪器体积,完成多波长的同时测量。 本论文主要做了以下工作: ①采用CCD器件、闪耀光栅和两个凹面反射镜设计了一个基于折叠Czerny-Turner结构的小型的色散系统,通过对光学系统结构分析,确定各元件参数之间的关系,确定了小型光谱仪的基本参数。 ②采用大容量的现场可编程逻辑门阵列EP1C3T144C8设计了一种新型的、集成度高的CCD驱动与信号采集系统。该系统中CCD驱动脉冲时序、AD采样控制时序、数据的采集与存储等功能电路均由FPGA内部的逻辑单元产生,测量结果通过串口传送给计算机。 ③应用高共模抑制比、高速运算放大器AD8032,采用差分放大形式设计了CCD的视频信号处理电路。 ④采用Visual Basic 6.0完成了光谱处理软件设计。该软件可以实现同下位机的通讯,同时能够实现光谱仪的波长定标、光谱图的显示、保存、打印等功能。 本论文主要有以下几个特点: ①采用多通道检测器CCD为光电接收元件,采用平面闪耀光栅作为色散元件,在400～800nm的可见光谱范围内实现快速扫描。测量速度快,获得一幅光谱图的最快时间为5.12ms。 ②基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统能够大大减小仪器体积,满足仪器小型化设计要求。 ③在设计数据采集电路时采用了SOPC技术,使用NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,增加系统的集成度,有效地加快了设计进度,减小电路板面积。 ④在PC机和下位机之间通信时,提出一种针对串口通讯传输较大文件的协议。协议格式简单,容易实现。
【关键词】：光谱仪 CCD FPGA SOPC
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 小型光谱仪的发展背景9-10
• 1.3 小型光谱仪的国内外发展现状10-13
• 1.4 研究小型光谱仪的意义和必要性13-14
• 1.5 本论文的主要研究内容14-15
• 2 光谱仪工作原理15-21
• 2.1 光谱仪的基本结构15-16
• 2.2 反射式平面光栅色散原理16-18
• 2.2.1 色散原理16
• 2.2.2 角色散率和线色散率16-17
• 2.2.3 理论分辨率17
• 2.2.4 光谱级的重叠和自由光谱范围17-18
• 2.3 闪耀光栅18-19
• 2.4 光栅的选择19-21
• 3 基于CCD 的小型化光谱仪的设计21-33
• 3.1 CCD 应用于光谱测量的理论分析[13]21
• 3.2 电荷藕合器件的基本工作原理及选择方法21-27
• 3.2.1 电荷藕合器件的基本工作原理[14]21-24
• 3.2.2 CCD 的基本特性参数[15]24-25
• 3.2.3 本课题CCD 器件的选择25-27
• 3.3 基于CCD 的小型化光谱仪设计方案27-33
• 3.3.1 仪器的整体设计27-28
• 3.3.2 照明系统的设计28-29
• 3.3.3 分光系统的设计29-33
• 4 基于CCD 的小型化光谱仪的电路设计33-59
• 4.1 SOPC 技术介绍33-38
• 4.1.1 基于SOPC 技术的现代电子设计33
• 4.1.2 IP 核33-34
• 4.1.3 NiosII CPU34-36
• 4.1.4 Avalon 总线36
• 4.1.5 SOPC 开发流程36-37
• 4.1.6 Cyclone 系列FPGA37-38
• 4.2 总体设计方案38-40
• 4.3 CCD 驱动电路的设计40-48
• 4.3.1 TCD1501D 芯片简介40-41
• 4.3.2 TCD1501D 的基本结构41
• 4.3.3 TCD1501D 的工作原理41-42
• 4.3.4 TCD1501D 驱动时序电路的设计42-46
• 4.3.5 CCD 视频信号电路的设计46-48
• 4.4 A/D 采样控制时序的产生48-53
• 4.4.1 TLC876C 芯片简介48-49
• 4.4.2 TLC876 的工作原理49
• 4.4.3 TLC876 的应用问题49-51
• 4.4.4 A/D 采样时序的产生51-52
• 4.4.5 A/D 控制时序的产生52-53
• 4.5 数据采集与存储53-54
• 4.6 其它硬件设计54-56
• 4.6.1 SOPC 平台54-55
• 4.6.2 TTL-RS232 电平转换电路55-56
• 4.6.3 电源设计56
• 4.7 数据采集系统印制电路板的设计56-57
• 4.8 本章小结57-59
• 5 应用程序编写及实验结果分析59-75
• 5.1 底层软件设计59
• 5.2 PC 和下位机的通信59-61
• 5.2.1 具体实现方法59-61
• 5.2.2 技术特点61
• 5.3 光谱数据处理61-62
• 5.4 波长定标62-63
• 5.5 CCD 光谱响应曲线校准63-65
• 5.6 计算机软件设计65-68
• 5.6.1 图表控件TeeChart 简介65-66
• 5.6.2 计算机软件的基本结构66-67
• 5.6.3 光谱扫描与显示软件的设计67-68
• 5.6.4 数据显示68
• 5.6.5 峰值检出68
• 5.7 实验结果分析68-75
• 5.7.1 CCD 数据采集系统性能测试68-70
• 5.7.2 基于CCD 的小型化光谱仪设计方案验证70-73
• 5.7.3 总结73-75
• 6 结束语75-76
• 参考文献76-78
• 硕士期间发表论文78-79
• 附录 采集卡的电路设计图79-80
• 致谢80

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 王培;微型多通道光纤光谱仪的设计与研究[D];南京理工大学;2010年

2 徐国伟;激光诱导等离子体光谱仪的研制[D];中国科学技术大学;2010年

3 袁潇;基于CCD的小型分光光度计研究及其分析应用[D];成都理工大学;2012年

4 魏旭可;基于STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统[D];中国海洋大学;2012年

5 刘智;基于谱域光学相干反射法的生物组织折射率测量技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

6 孙小小;基于CMOS传感器的小型光谱仪研制[D];上海交通大学;2013年

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本文编号：452069