? 　微量物質(zhì)成分及含量分析在科研、安檢等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前，微量成分分析常用的方式是使用分光光度計，其原理是利用物質(zhì)對光的吸收特性，測量其吸光度，通過吸收峰的位置估計物質(zhì)的成分，并利用峰的高度來估計成分的含量。傳統(tǒng)的分光光度計主要應用在物質(zhì)的分析與檢測上，功能比較單一。隨著芯片集成技術(shù)的發(fā)展和光柵技術(shù)的進步，現(xiàn)在的分光光度計在功能、體積、檢測速度上發(fā)生了革命性的改變。例如，利用分光光度計來組成田野土壤監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以實時檢測土壤的物質(zhì)含量，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能有效的針對某塊區(qū)域進行土壤的改良從而提高產(chǎn)率。

　　分光光度計的核心部分是光譜采集和處理系統(tǒng)，其通過光電轉(zhuǎn)換器件把經(jīng)過物質(zhì)吸收后的光譜信號采集進來，并通過顯示器件實時顯示。傳統(tǒng)的分光光度計通常采用光電管來實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，由于光電管的體積較大，而且需要復雜的機械裝置把光譜投射到光電管上，因此傳統(tǒng)的分光光度計體積非常笨重，而且價格也十分昂貴。CCD技術(shù)的發(fā)展使得分光光度計發(fā)生了革命性的變化，由于CCD技術(shù)的易集成、采集速度快等優(yōu)點使得分光光度計逐漸朝著微型化和便攜性方面發(fā)展。

　　本文提出的分光光度計的光譜采集系統(tǒng)通過使用CCD與微處理器件的協(xié)調(diào)工作，可以用來測試可見光波段的吸收強度并能初步的估計吸收量的大小，從而為物質(zhì)分析提供參考。

　　1 CCD驅(qū)動及噪聲處理技術(shù)研究

　　1．1 CCD驅(qū)動時序研究

　　CCD作為光電轉(zhuǎn)換的理想器件是因為其較低的噪聲、較高的轉(zhuǎn)移效率和較快的光譜響應，其采用交替變換的脈沖來移出儲存在其中的光信號并以電壓輸出的方式表示。由于轉(zhuǎn)移效率較高，因此其工作頻率一般在MHz標準。本文采用的CCD器件則是最高轉(zhuǎn)移頻率在1 MHz的東芝公司生產(chǎn)的TCD1208AP線陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個基本像元組成，其中可用來進行光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的像元只有2 160個，其他的像元用來控制噪聲和填充數(shù)據(jù)幀。TCD1208AP每個像元的尺寸為14μm×14μm，所以對色散器件的色散能力要求不是很高，同時其擁有較高的光靈敏度以及較高的工作頻率使得其光譜采集的速度非?？?，達到ns級別。利用物質(zhì)吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長不同的光映射在CCD傳感器上的每個像元位置，每個像元位置對應一個波長的光的強度。像元與波長的關(guān)系可以通過微處理器來進行標定，傳感器采集不同波長的光信號，光信號的強度與CCD受照射的時間（CCD的積分時間）有關(guān)，通過改變積分時間可以影響每個像元上光強度的大小。

　　TCD1208AP正常的工作需要四路驅(qū)動脈沖，即積分時間控制脈沖SH、像元內(nèi)光信號轉(zhuǎn)移脈沖φ1和φ2以及清除CCD像元內(nèi)剩余電荷的復位信號RS。四路驅(qū)動脈沖的時序圖如圖1所示。

　　

　　RS一般工作在1 MHz的速度，其脈沖的占空比為30％，φ1，φ2工作的占空比為50％，SH為CCD的積分時間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個RS周期的時間。開始工作時，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來時能馬上建立電勢差，從而使得CCD的電荷順利轉(zhuǎn)移出去。

　　1．2 CCD噪聲處理技術(shù)探討

　　TCD1208AP的輸出信號有VOS和VDOS，其中VOS為摻雜了噪聲的有效輸出信號，其噪聲的主要成分為RS引起的復位噪聲，VDOS為補償輸出端。

　　CCD的輸出信號摻雜有直流電平和RS復位脈沖，因此在進行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換時，必須把其中的直流電平（圖示為1．08 V）和RS（1 MHz的復位脈沖）脈沖濾除。直流電平的濾除可以使用VDOS補償輸出，通過VOS與VDOS之間的加減運算來實現(xiàn)。圖2所示的即為濾除直流電平后的信號圖，圖中信號c為不帶直流電平而帶有復位噪聲的光譜吸收信號。有效的光譜吸收信號在復位脈沖之后，物質(zhì)對不同波長光的吸收程度體現(xiàn)在該信號的大小上。

　　

　　復位噪聲的消除是通過對模擬到數(shù)字中的采樣點的選擇來實現(xiàn)。通過把采樣的時刻設(shè)定在有效的光譜信號區(qū)域，并把該時刻視頻信號的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便進行后續(xù)的信號處理過程。而采樣的脈沖有兩種來源，一是通過引入額外的脈沖源，通過精確的控制來實現(xiàn)；二是使用CCD的復位脈沖RS來實現(xiàn)，通過觀察發(fā)現(xiàn)CCD的復位脈沖RS的脈寬區(qū)恰好位于CCD有效的光譜信號區(qū)域，因此可以用復位脈沖作為模擬到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換部分的采樣脈沖輸入端。

　　2 光譜采集系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件電路設(shè)計

　　光譜采集系統(tǒng)的硬件電路主要用來實現(xiàn)物質(zhì)吸收光譜的采集、轉(zhuǎn)換以及對轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚恚虼?，穩(wěn)定、高精度的硬件電路是光譜采集系統(tǒng)有效精確工作的基礎(chǔ)。

　　2．1 CCD驅(qū)動及CCD預處理電路設(shè)計的研究

　　CCD的正常工作需要精確時鐘的配合，選用TCD1208AP線陣CCD作為本文的光電轉(zhuǎn)換器件，其需要四路時鐘脈沖的驅(qū)動：SH，φ1，φ2，RS。四路脈沖的幅值為5 V，屬于標準的TTL邏輯電平。在驅(qū)動設(shè)計時可以使用微處理器來實現(xiàn)也可以使用FPGA或者CPLD等邏輯陣列來實現(xiàn)。但微處理器的時鐘精確度相對于邏輯陣列比較低，且存在相位不同步的問題，因此，本文設(shè)計的方案使用CPLD來實現(xiàn)，其芯片為Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V電平的輸出能力，可以和TCD1208AP直接連接而無需其他電平轉(zhuǎn)換芯片，硬件連接圖如圖3所示。

　　

　　CPLD使用10 MHz的有源晶振輸入，為了提高CPLD的驅(qū)動能力，使用了反相器74HC04對CPLD輸出的驅(qū)動脈沖進行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驅(qū)動脈沖的高低電平與正常驅(qū)動CCD的脈沖必須是反相的。CPLD輸入的時鐘clk為10 MHz，通過HLD硬件編程語言實現(xiàn)十分頻，輸出1 MHz的CCD復位脈沖。

　　1．2 節(jié)討論利用VOS與VDOS的加減運算來實現(xiàn)光譜

　　信號中直流電平的濾除，硬件則利用運算放大器來實現(xiàn)這一過程。本系統(tǒng)采用AD公司的AD8051運算放大器，其工作帶寬最高達110MHz，較低的建立時間使得其處理高頻信號的能力較強，根據(jù)基本運算放大器計算規(guī)則，得出輸出信號Vout為：

　　

　　調(diào)節(jié)R9的值則可以改變Vout的輸出值，此時的Vout就是沒有直流電平的物質(zhì)光譜吸收信號。

　　經(jīng)過處理后的物質(zhì)吸收光譜信號，進入AD轉(zhuǎn)換模塊，在該模塊可以對光譜信號中的復位脈沖進行濾除，從而得到有效的光譜信號。采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是BB公司的8 bit模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其采樣率可以達到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其轉(zhuǎn)換速率和精度滿足光譜采集系統(tǒng)的高速和高精度的要求。ADS830需要4個時鐘周期才能完成數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字信號的輸出，在接收ADS830轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號時需要控制好接收數(shù)據(jù)的時刻，以便準確無誤的得到需要的數(shù)據(jù)。

　　

　　圖4為使用ADS830來進行光譜數(shù)據(jù)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換電路，ANALOGIN輸入則是通過AD8051后處理的不帶直流電平的光譜數(shù)據(jù)。由于ADS830的輸入端電壓范圍是1．5～3．5 V，因此，為了使得經(jīng)過AD8051的光譜信號處于這一范圍，需要通過調(diào)節(jié)R9的值來實現(xiàn)。D1～D8則是轉(zhuǎn)換后的光譜信號，該信號送入微處理器進行后續(xù)處理。