采用线阵CCD的便携式光谱采集系统设计(一)
2光谱采集系统中关键硬件电路设计
光谱采集系统的硬件电路主要用来实现物质吸收光谱的采集、转换以及对转换后的光谱数据进行适当的处理，因此，稳定、高精度的硬件电路是光谱采集系统有效精确工作的基础。
2．1 CCD驱动及CCD预处理电路设计的研究
CCD的正常工作需要精确时钟的配合，选用TCD1208AP线阵CCD作为本文的光电转换器件，其需要四路时钟脉冲的驱动：SH，φ1，φ2，RS。四路脉冲的幅值为5 V，属于标准的TTL逻辑电平。在驱动设计时可以使用微处理器来实现也可以使用FPGA或者CPLD等逻辑阵列来实现。但微处理器的时钟精确度相对于逻辑阵列比较低，且存在相位不同步的问题，因此，本文设计的方案使用CPLD来实现，其芯片为Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V电平的输出能力，可以和TCD1208AP直接连接而无需其他电平转换芯片，硬件连接图如图3所示。
CPLD使用10 MHz的有源晶振输入，为了提高CPLD的驱动能力，使用了反相器74HC04对CPLD输出的驱动脉冲进行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驱动脉冲的高低电平与正常驱动CCD的脉冲必须是反相的。CPLD输入的时钟clk为10 MHz，通过HLD硬件编程语言实现十分频，输出1 MHz的CCD复位脉冲。
1．2 节讨论利用VOS与VDOS的加减运算来实现光谱
信号中直流电平的滤除，硬件则利用运算放大器来实现这一过程。本系统采用AD公司的AD8051运算放大器，其工作带宽最高达110MHz，较低的建立时间使得其处理高频信号的能力较强，根据基本运算放大器计算规则，得出输出信号Vout为：
调节R9的值则可以改变Vout的输出值，此时的Vout就是没有直流电平的物质光谱吸收信号。
经过处理后的物质吸收光谱信号，进入AD转换模块，在该模块可以对光谱信号中的复位脉冲进行滤除，从而得到有效的光谱信号。采用的AD转换芯片是BB公司的8 bit模拟到数字转换芯片，其采样率可以达到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其转换速率和精度满足光谱采集系统的高速和高精度的要求。ADS830需要4个时钟周期才能完成数据采样和数字信号的输出，在接收ADS830转换的数字信号时需要控制好接收数据的时刻，以便准确无误的得到需要的数据。
图4为使用ADS830来进行光谱数据数字化的转换电路，ANALOGIN输入则是通过AD8051后处理的不带直流电平的光谱数据。由于ADS830的输入端电压范围是1．5～3．5 V，因此，为了使得经过AD8051的光谱信号处于这一范围，需要通过调节R9的值来实现。D1～D8则是转换后的光谱信号，该信号送入微处理器进行后续处理。
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