[实用新型]宽光谱微型光谱仪信号处理系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光谱仪设备领域，特别涉及宽光谱范围微型光谱仪信号处理系统。

背景技术

光谱仪是一种重要的物质分析仪器，传统的光谱仪体积大，价格贵，不易携带的特点促进了对光谱仪微型化的研究。其中宽光谱范围光谱仪以其测量范围大，适用于多种环境下测量，如实验室、海底、大气、工业生产液流、食品等，因此微型化的意义重大。如今，针对红外波段、可见光波段或紫外波段的微型光谱仪已经有了很大的进步，然而对于集合紫外波段、可见光波段与近红外波段（200-1100nm）的微型光谱仪面临许多技术难题。

影响宽光谱光谱仪微小型化的重要因素之一就是光信号处理系统的硬件设计，微型光谱仪的信号采集系统对微型光谱仪的实现起到了重要的作用。此时，相对应光学探测器部分体积减小的同时信息采集系统稳定快速显得尤为重要。随着CCD的应用逐渐广泛，其灵敏度高，动态范围广的特点适用于作为光学系统探测器。传统对CCD进行驱动的方法往往需要不断修改硬件电路或者驱动时序不准确带来噪声干扰严重。此外，由于光栅分光光路的限制，处于紫外与红外波段的光信号弱，信噪比低导致光学分辨率精度不够。

所以，精确且实时地将CCD光电转化的信号传输至上位机进行处理，并提高边缘波段信噪比是该微型光谱仪信号处理系统的关键。

实用新型内容

为了精确且实时地将CCD光电转化的信号传输至上位机进行处理，并提高边缘波段信噪比，本实用新型提供一种宽光谱微型光谱仪信号处理系统。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：

一种宽光谱微型光谱仪信号处理系统，包括FPGA主控模块、CCD模块、CCD滤波电路、AD采样模块、USB模块和电源，所述FPGA主控模块包括USB控制传输模块、数据缓存模块、AD工作模式串行配置模块、AD采样时序与输出传输时序控制模块、CCD驱动时序控制模块；所述CCD驱动时序控制模块、CCD模块、CCD滤波电路、AD采样模块、数据缓存模块依次连接，所述USB控制传输模块连接所述USB模块，所述AD工作模式串行配置模块、AD采样时序与输出传输时序控制模块连接到AD采样模块。

进一步，电源为USB电源供电，USB电源通过电源隔离模块进行DC-DC分压为FPGA主控模块、CCD模块、CCD滤波电路、AD采样模块、USB模块提供工作电压。

当光信号由光纤经过分光系统分光后，由通过FPGA控制的CCD进行光电转化，转化后的模拟电信号由AD采样芯片进行高速采样并转化为数字信号存入FPGA内设计的缓存模块，之后由FPGA内设计的USB发送模块将数据发送至USB芯片内缓存区，再通过FPGA控制USB模块将USB芯片内的缓存区发送至上位机，等待其接收后再次发送。

本实用新型具有以下优点和有益效果：

1. 本实用新型采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为主控制器，具有体积小、功耗低、时序控制精确等特点，尤其是其硬件电路可编程化的特点，提供了CCD积分时间、工作模式可软件调整的优势。

2. 本实用新型提出一种基于FPGA时序控制与USB高速传输速度下连续采样CCD不同积分时间的信号输出并合并处理的设计，克服了背景技术存在的紫外与近红外波段信噪比低的问题，有效改善了信号的信噪比。

3. 本实用新型的电源由上位机通过USB端口提供，减少了硬件间连线。采用的电源隔离模块有效隔开了上位机USB电源输入纹波，提高了AD与CCD供电电源的可靠性。此外，设计电路时充分考虑了EMI对信号的影响。

4. 本实用新型中AD采样芯片AD9826根据CCD输出信号的特点，选择了单通道SHA采样保持模式，采用VRIN端作为CCD信号输入，OFFSET端口连接可调补偿电压（0-5V），上述端口均耦合电容滤波去噪，提高了AD芯片在该模式采样下的精确度。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种宽光谱微型光谱仪信号处理系统，包括FPGA主控模块1、CCD模块10、CCD滤波电路9、AD采样模块8、USB2.0模块7和电源11，控制芯片的型号为EP4CE1517C8，USB通信芯片为CY7C68013A，AD采样芯片为AD9826，CCD为Sony ILX554B。FPGA主控模块1分别与CCD模块10、AD采样模块8、USB模块7相连。