微型光纖光柵光譜儀的研制及在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.pdf

1、光譜檢測(cè)是一種在科研和生產(chǎn)中廣泛采用的技術(shù)。隨著科研和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，光譜檢測(cè)技術(shù)正向原位和在線測(cè)量方向發(fā)展，因此對(duì)光譜檢測(cè)儀器提出了微型化的要求。 本文針對(duì)這一要求，設(shè)計(jì)、制作了一臺(tái)微型光纖光柵光譜儀。微型光纖光柵光譜儀選用小型光柵單色儀、電荷耦合器件(Charge Coupled Device簡(jiǎn)稱(chēng)CCD)和復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex programmable logical Device簡(jiǎn)稱(chēng)CPLD)等最新技術(shù)

2、研制。CCD作為感光元件，具有尺寸小、重量輕、功耗小、線性好、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、壽命長(zhǎng)、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等一系列優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)光柵光譜儀輸出的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)電路處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到上位機(jī)存儲(chǔ)、處理和分析。通過(guò)電子電路，可以對(duì)微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理，從整體上提高了測(cè)量系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜信息快速采樣、存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能，從而使光譜的測(cè)量實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，拓寬了光譜測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域

3、。系統(tǒng)的硬件電路由CPLD控制，包括CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序、A/D采樣轉(zhuǎn)換時(shí)序、數(shù)據(jù)緩存讀寫(xiě)時(shí)序和上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)與命令的通迅時(shí)序等。CPLD采用Verilog語(yǔ)言實(shí)行模塊化編程，在Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯、綜合、仿真，并燒寫(xiě)器件。整個(gè)系統(tǒng)可通過(guò)JTAG接口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程燒錄，調(diào)整電路的工作狀態(tài)或是硬件控制程序的升級(jí)、更新。上、下位機(jī)之間的命令和數(shù)據(jù)的通訊，采用USB2.0協(xié)議，支持即插即用(Plug and Play)，傳輸速度

4、可達(dá)到480Mbps，與CPLD的高速邏輯處理能力和響應(yīng)速度相配合，能針對(duì)CCD的大數(shù)據(jù)量像素的光電信號(hào)進(jìn)行高速采集和實(shí)時(shí)處理，這些功能由USB接口控制芯片實(shí)現(xiàn)。此外，系統(tǒng)從USB口汲取電源，能滿足整個(gè)硬件電路正常工作所需，無(wú)須外加電源，為野外的便攜式應(yīng)用提供了可能。上位機(jī)的應(yīng)用程序采用LabView語(yǔ)言編寫(xiě)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，交互界面友好等特點(diǎn)。研制的樣機(jī)經(jīng)測(cè)試，表明具有測(cè)量光譜范圍寬、測(cè)量分辨率高、特別適用于光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和便攜式的