微型光纖光柵光譜儀的研制及在物理實驗中的應用.pdf

1、光譜檢測是一種在科研和生產中廣泛采用的技術。隨著科研和生產技術的發(fā)展和進步，光譜檢測技術正向原位和在線測量方向發(fā)展，因此對光譜檢測儀器提出了微型化的要求。 本文針對這一要求，設計、制作了一臺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簡稱CCD)和復雜可編程邏輯器件(Complex programmable logical Device簡稱CPLD)等最新技術

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、動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、壽命長、實時傳輸和自掃描等一系列優(yōu)點。在對光柵光譜儀輸出的光學信號進行光電轉換后，經(jīng)電路處理轉換成數(shù)字信號，傳送到上位機存儲、處理和分析。通過電子電路，可以對微弱的光信號轉換后的電信號進行放大和降噪處理，從整體上提高了測量系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)了對光譜信息快速采樣、存儲、傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能，從而使光譜的測量實現(xiàn)了數(shù)字化，拓寬了光譜測量的應用領域

3、。系統(tǒng)的硬件電路由CPLD控制，包括CCD的驅動時序、A/D采樣轉換時序、數(shù)據(jù)緩存讀寫時序和上、下位機之間的數(shù)據(jù)與命令的通迅時序等。CPLD采用Verilog語言實行模塊化編程，在Quartus II開發(fā)環(huán)境中編譯、綜合、仿真，并燒寫器件。整個系統(tǒng)可通過JTAG接口進行現(xiàn)場編程燒錄，調整電路的工作狀態(tài)或是硬件控制程序的升級、更新。上、下位機之間的命令和數(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、可達到480Mbps，與CPLD的高速邏輯處理能力和響應速度相配合，能針對CCD的大數(shù)據(jù)量像素的光電信號進行高速采集和實時處理，這些功能由USB接口控制芯片實現(xiàn)。此外，系統(tǒng)從USB口汲取電源，能滿足整個硬件電路正常工作所需，無須外加電源，為野外的便攜式應用提供了可能。上位機的應用程序采用LabView語言編寫，具有結構簡單明了，交互界面友好等特點。研制的樣機經(jīng)測試，表明具有測量光譜范圍寬、測量分辨率高、特別適用于光譜學實驗教學和便攜式的