上海精密科學儀器有限公司科技開發(fā)中心,上海200233

　摘要: 分光測色儀中的光電轉(zhuǎn)換器運用先進的光電傳感技術(shù)(光電二極管陣列) ,來進行光信號的采集。其驅(qū)動脈沖由復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD)搭建,后端采用高精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和高速的32位微處理器構(gòu)成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。同時為解決脈沖氙燈光源強度不一致的問題,采用了雙光電路同步并行觸發(fā)工作的結(jié)構(gòu)。介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,性能評價以及應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞: 光電二極管陣列( SSPA) ; 脈沖氙燈; 雙光電路

引　言

分光測色儀是一種基于現(xiàn)代色度學理論,以CIE標準色度學系統(tǒng)為標準的,進行顏色測量的科學儀器。光電轉(zhuǎn)換器是分光測色儀器中的最主要電子部件, 而作為光信號采集的電荷耦合器件(charge coupledevice, CCD)圖像傳感器更是其中的重點。隨著光傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,這種半導(dǎo)體器件已經(jīng)在尺寸測量,圖像傳感,定位控制等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在光學領(lǐng)域,象高精度的分光測色儀,需要處理非常微弱的光信號,特別是偏紫外部分的光信號,普通的電荷耦合器件由于其工藝水平和性能參數(shù)等方面受到廠商的制約難以達到較高的水平。

現(xiàn)采用的是日本濱松公司出產(chǎn)的自掃描光電二極管陣列( SSPA) S3921-256Q,該器件各方面參數(shù)優(yōu)異,極其適合作為光譜類儀器的傳感器。它接收從凹面平場光柵投過來的從380～ 760nm的光譜帶,并轉(zhuǎn)換為電信號,每位光電二極管對應(yīng)光譜中的某一譜線,則全譜段的光能量大小將被檢測到。電信號以串行的方式高速輸出,經(jīng)過運算放大器調(diào)整放大后送到A /D轉(zhuǎn)換器中,然后再送交微處理器進行數(shù)據(jù)處理。電路系統(tǒng)的框圖見圖

2　S3921-256Q驅(qū)動脈沖的設(shè)計

S3921-256Q 的時序發(fā)生電路,也就是使器件正常工作的多路時序驅(qū)動脈沖是該采集電路部分的關(guān)鍵,一些傳統(tǒng)的設(shè)計方法(如EPROM方式,單片機發(fā)生方式,搭建小規(guī)模電路方式等)已經(jīng)不能滿足該類器件朝著整合,高速,小型化的方向發(fā)展。因此文中采用了基于復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD)的設(shè)計方法。

CPLD采用了ALTERA公司的高集成度芯片: EPM7064TC44軟件環(huán)境使用的是ALT ERA公司的QuartusⅡ 。S3921-256Q工作在頻率較高范圍時,有一定的功耗,為保證驅(qū)動脈沖的驅(qū)動能力,在CPLD輸出的復(fù)位脈沖PH　Reset、光積分脈沖PH　Sta rt、箝位脈沖PH　Clamp、采樣保持脈沖ADCTrig,以及二相時鐘脈沖PH1, PH　2等后面連接了一片74F244后再接入S3921-256Q,圖2是通過軟件仿真得到的脈沖波形,通過示波器觀察,與仿真波形相符。

設(shè)計中S3921-256Q 的移出頻率為48μs /pix el, 它的像元點為256 位, 則它的行掃描周期

T≥ 48μs /pixel× 256,即12. 288ms才能保證每一位的信號能順利移出。在初始設(shè)計中,設(shè)計了通過幾根IO口線來控制光積分時間的長短,以適應(yīng)不同樣品下的反射光強或透射光強,使采集得到的光信號不至于飽和或則過小。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)沒有必要,因為只要保證在標準白板100% 的光強下信號沒有飽和,故對于微弱信號的采集,積分時間自然是越大越好。在反復(fù)試驗后,最終采用了475. 2ms的行周期,此時標準白板100%的光強為3. 98V(飽和為4. 096V )。