基于线阵CCD的小型光谱仪研究

王远，张宁，耿振华，徐熙平

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

光谱仪是分析物质物理化学组成的重要分析仪器。传统光谱仪由于在体积、重量、结构以及扫描时间上都无法达到现场和多波长的同时检测，仅仅适合在实验室做一些光谱分析的实验，工程应用价值受限，因此光谱仪的小型化成了研究的主要方向，小型光谱仪具有体积小、重量轻、数据采集和处理速度快、光谱响应范围宽等优点，具有广泛的应用领域和市场价值［1］。

本系统采用最新的半导体传感技术和现代可编程控制技术进行了光谱数据采集系统的研究，对光学系统、硬件电路与软件程序进行设计，结合光谱仪系统的使用要求，实现光谱仪小型化的目的，主要技术指标为：测量范围400～800nm，光谱分辨率0.2nm。

1 系统总体设计

在设计光路方面，应用Czerny-Turner结构，使成像光线和入射光线在空间内的路径上交叠，这样做既减小了整体尺寸又可以使光谱像面的位置与光栅、准直物镜及狭缝的位置在空间上不发生干涉。线阵CCD接收光学系统结构示意图如图1所示。

图1 线阵CCD接收光学系统结构示意图

采用这样对称的光路结构可提高整个光学系统的分辨率和色散能力，在微型光谱仪小型化要求下使得光程更长。同时，该结构可以保证光线在光栅的主截面内发生色散，并且反射镜系统没有色差，便于得到平直的谱面。

入射光经过分光光栅分光后，照射到线阵CCD上，线阵CCD接收被光栅分离开的光，并转化成电信号，传送给FPGA，FPGA经过信号处理后通过USB接口将数据发送给上位机。FPGA器件除处理信号外，同时还提供给CCD等电路正常工作所需的时序。整个系统由CCD光电换能模块、信号预处理模块、模拟前端、FPGA主控模块、USB通讯模块五个模块组成，系统整体结构示意图如图2所示。

图2 系统整体结构示意图

2 CCD器件选择

在光谱仪系统中探测器选择的一般原则是：紫外可见光波段选择CCD、PDA（光电二极管阵列），紫外波段选择CCD或CMOS，波长为0.9～1.7μm的近红外则选择InGaAs。本系统是工作在可见光波段，PDA和CCD相比像素数少，不满足系统要求，CMOS和CCD相比灵敏度低，所以选择CCD传感器进行光谱信号的转换。

图3 光谱响应曲线

系统光谱测量范围为400～800nm，光谱分辨率为0.2nm，则要求CCD的像素个数至少为2000个，通过对比分析，决定采用TCD1703C型线阵CCD，这种类型的CCD器件有效像元数多、像元宽度小，完全满足本测量系统对于光敏器件的精度和量程的要求。TCD1703C有效像素为7500个，每个像元的尺寸为长7μm、高7μm、中心距为7μm［2］。TCD1703C的光谱响应曲线如图3所示，满足系统400～800nm的光谱范围要求，峰值波长在550nm左右。

CCD的像素中心间距按7μm来计算，则CCD的尺寸为7500*7μm=52.5mm，由此也可计算出分光系统谱面宽度为52.5mm。CCD的像素按照7500有效像素计算，理论分辨率可达到0.06nm，这样在满足较宽的光谱范围的同时也得到较高的理论分辨率。

3 硬件电路组成

硬件电路的主要工作是将经过预处理后的CCD信号进行滤波、相关双采样、增益调整、ADC量化等处理，由FPGA主控芯片提供各个电路正常工作需要的时钟，并完成光谱数据的采集和传输。

3.1 信号预处理电路

TCD1703C输出的模拟信号首先经过一个射级跟随器进行功率放大，从而最大限度的滤除低噪声和暗电流带来的干扰，然后将电信号送入到使用CLC409芯片所搭建的差分电路进行处理，预处理电路原理图如图4所示。

图4 预处理电路原理图

3.2 模拟前端电路

CCD的输出信号经过信号调理电路后，通过A/D转换，存储到FIFO（先进先出）存储器中，等待MCU（微型控制单元）读取。为了提高信号转换精度，应选用12位以上的A/D转换器。CCD对于光谱数据的采集是批量采集，在短时间内完成对全光谱的最快采集速度是CCD光谱分析仪的一大优势，所以要求A/D转换器的转换速度要快，否则会影响光谱分析仪的最小积分时间。因为CCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号，其余时间内是复位电平和干扰。所以为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。本文在设计CCD外围电路中采用AD9945芯片。它采用40MHz单通道架构，可用于对交错和逐行扫描区域CCD阵列的输出进行采样和调节。AD9945的信号链由相关双采样器（CDS）、数字控制可变增益放大器（VGA）、电平箝位电路和12位模数转换器（ADC）组成。为了使CCD信号的直流分量保持在1.5V左右，与3V单电源输入的AD9945相匹配。AD9945需要一个由0.1μF的外部耦合隔直电容以及内置的高精度直流电平恢复电路来接收CCD的输入信号。AD9945前端电路如图5所示。

图5 AD9945模拟前端电路图

3.3 数据通讯接口电路

结合系统小型化的特点，采用USB接口进行数据传输［3］，通过USB对系统进行供电和通讯，方便实现光谱数据的传输以及CCD工作参数的配置，并且简化了光谱仪的结构。

本系统采用型号为CY7C68013的USB接口芯片，CY7C68013数字信号传输接口电路图如图6所示。

图6 CY7C68013数字信号传输接口电路图

芯片工作在Slave FIFO模式下，芯片内嵌的8051固件的功能只是完成相关寄存器的配置以及控制芯片何时工作在Slave FIFO模式下。一旦8051将相关的寄存器配置完毕，且使芯片工作在Slave FIFO模式下后，FPGA即可按照Slave FIFO的传输时序实现与主机的高速通讯，整个通讯过程中再不需要8051的参与。

3.4 FPGA主控电路

要使线阵CCD稳定可靠的工作，必须设计出符合CCD正常工作所要求的驱动时序，时序信号的质量直接影响CCD高性能的发挥及工作的稳定性，选用FPGA实现对线阵CCD的时序控制以及对A/D转换和FIFO存储器的时序协调，FPGA同时完成对USB接口芯片的控制，这样可提高CCD采样的速度和时序的稳定性，并且进一步简化了电路。

TCD1703C的驱动由5路脉冲构成，分别是转移脉冲SH、复位脉冲RS、箝位脉冲CP以及时钟脉冲Φ1、Φ2，利用反相器保持两者相位差为180°，频率为20MHz。各驱动时钟的相位关系如图7所示：

图7 TCD1703C驱动脉冲波形图

为保证CCD正常工作，选择48MHz有源晶振，XC3S400AN的48MHz时钟电路如图8所示。

图8 XC3S400AN的48MHz时钟电路

该晶振经一个33Ω的电阻接入XC3S400AN全局时钟管脚，由XC3S400AN内部对系统时钟进行倍频，产生各种时序信号。TCD1703C的外部硬件电路则采用两片时钟驱动芯片TB62801F来构建，该芯片支持电平反转输出，可去除对电平交叉控制的要求，另外还有对主时钟的4路时钟分配驱动以及4位控制信号缓存，可以稳定的驱动450pF负载电容，并正常工作于20MHz的高频。

3.5 实验分析

用FPGA产生CCD正常工作所需的时钟信号，在ALTERA的QUARTUS II开发环境中进行设计验证，用Verilog硬件语言对正常采集所需的时序进行设计［4，5］，并利用Modelsim仿真软件对生成的波形进行检测。

图9 低压汞灯光谱

图10 钠灯双黄线光谱实验结果

在实验室条件下，对设计完成的CCD光谱分析仪系统进行调试与实验，分别使用低压汞灯和钠灯对光谱波长进行标定。低压汞灯光谱波长的特征谱线分别是404.66nm、407.78nm、435.84nm、546.07nm、576.96nm和579.06nm，对应的像素分别是88、147、673、2740、3319、和 3358，光谱测试结果如图 9所示。钠灯双黄线的波长是589.00nm、589.60nm，对应的像素分别为3545和3556，钠灯双黄线光谱测试结果如图10所示。

通过对测得的低压汞灯、钠灯的光谱分析，说明所搭建的光谱仪系统可以完成光谱信号的采集、处理和传送。系统可以测出低压汞灯的特征谱线及钠灯双黄线，使用该系统对多个不同波长激光器的光谱及半宽反复测量，结果表明该系统可以完成光谱范围为400nm～800nm波长的测量，分辨率可达到0.2nm，满足设计指标要求。

4 结论

本文提出一种应用于CCD光谱分析仪数据采集系统研究的新方法，分光系统采用折叠Czerny-Turner结构，光谱数据采集系统以TCD1703C线阵CCD为核心，采用XC3S400AN及AD9945为驱动，光谱数据经USB接口传输至上位机进行图像数据的分析处理和显示，极大的减小了光谱仪尺寸。系统完成后，通过对低压汞灯光谱和钠灯光谱进行测试，得到实验结果。该光谱仪的光谱范围为400～800nm，分辨率达0.2nm。说明本文所述的设计方案能够完成对波长的测量，可以用于微型化光谱仪的设计。

［1］范世福.现代分析仪器发展的前沿技术和新思想［J］.现代科学仪器，2000（3）：10-13.

［2］高翔，林金朝，庞宇，等.一种二相线阵电荷耦合器件的数据采集器设计［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2013，34（3）：53-57.

［3］卿辉.用CPLD实现SRAM工艺FPGA的安全应用［J］.通信技术，2003（12）：146-148.

［4］李秀娟，方小红，徐晓为.一种CCD驱动电路的设计方法［J］.中国仪器仪表，2007（6）：43-45.

［5］石美红，房超，张卫军，等.基于FPGA的线阵CCD图像采集控制的实现［J］.微计算机信息，2009，25（5-2）：177-179.