《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的光譜儀動態(tài)基線補償系統(tǒng)設(shè)計
電子技術(shù)應(yīng)用
于呈豪,,薛萌,,石朗杰,,郭漢明
上海理工大學 光電信息與計算機工程學院
摘要: 線陣型CMOS光電圖像傳感器具有靈敏度高,、光譜響應(yīng)范圍大、功耗低,、體積小等優(yōu)點,,被廣泛應(yīng)用于便攜式光譜儀的開發(fā)中。為解決由CMOS圖像傳感器暗電流變大而造成的光譜儀基線漂移問題,,設(shè)計一種基于FPGA的光譜儀動態(tài)基線補償系統(tǒng),。系統(tǒng)利用傳感器預留像素計算得到該幀圖像的基線值并進行實時反饋,使用高性能運算放大器,、差分放大器設(shè)計電壓跟隨電路,、基線補償電路和單端轉(zhuǎn)差分電路對CMOS模擬信號進行處理并進行高速A/D轉(zhuǎn)換,選用精密DAC芯片實時動態(tài)反饋基線補償值,。最終測試結(jié)果表明,隨著積分時間的不斷增加,,該設(shè)計始終能使光譜數(shù)據(jù)保持一個較低的基線水平,。系統(tǒng)電路設(shè)計靈活、光譜采集準確,、基線控制效果良好,,比較適合檢測微弱光譜信號。
中圖分類號:TN29,;TP23 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234709
中文引用格式: 于呈豪,,薛萌,石朗杰,,等. 基于FPGA的光譜儀動態(tài)基線補償系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,,2024,50(6):96-100.
英文引用格式: Yu Chenghao,,Xue Meng,,Shi Langjie,et al. Design of FPGA-based spectrometer dynamic baseline compensation system[J]. Application of Electronic Technique,,2024,,50(6):96-100.
Design of FPGA-based spectrometer dynamic baseline compensation system
Yu Chenghao,Xue Meng,Shi Langjie,,Guo Hanming
School of Optical-Electrical and Computer Engineering,, University of Shanghai for Science and Technology
Abstract: The linear array CMOS photodetector sensor possesses advantages such as high sensitivity, a wide spectral response range, low power consumption, and a compact size. It is widely used in the development of portable spectrometers. To address the issue of baseline drift caused by the increasing dark current of the CMOS image sensor, a dynamic baseline compensation system based on FPGA for the spectrometer is designed. The system utilizes reserved pixels on the sensor to calculate the baseline value for each frame in real-time and provide feedback. It employs high-performance operational amplifiers, differential amplifiers for voltage tracking, baseline compensation circuits, and single-ended to differential circuits to process the CMOS analog signals and perform high-speed A/D conversion. A precision DAC chip is used to provide real-time dynamic feedback for baseline compensation values.The final test results demonstrate that as the integration time increases, this design consistently maintains a lower baseline level for spectral data. The system's circuit design is flexible, it ensures accurate spectral data acquisition, and it effectively controls the baseline, making it well-suited for detecting weak spectral signals.
Key words : spectrum acquisition;line-array CMOS,;FPGA,;baseline compensation;signal processing

引言

近年來,,集成度高,、檢測時間快、操作方法簡單的光譜檢測設(shè)備廣泛的出現(xiàn)在化學,、醫(yī)學材料鑒別和藥品,、危險品鑒定等場景中,光譜檢測技術(shù)已經(jīng)成為了物質(zhì)檢測和分析的關(guān)鍵技術(shù),。便攜式光譜儀的光電轉(zhuǎn)換器件多為線陣型圖像傳感器,,不同類型的光電傳感器因其獨特的性能而被用來滿足不同的光譜采集需求[1]。光電圖像傳感器會受到暗噪聲輸出的影響,,輸出的暗噪聲包括暗電流噪聲和暗電流散粒噪聲,。其中暗電流散粒噪聲主要影響光譜儀的信噪比性能,暗電流噪聲決定了光譜儀的基線參考值,,有效光信號都將基于該參考值進行輸出,。暗電流噪聲會隨著溫度的升高和積分時間的增加而逐步變大,加之后續(xù)信號放大電路的作用,,實際光譜數(shù)據(jù)會出現(xiàn)嚴重的基線漂移現(xiàn)象,。漂移的基線會壓縮有效光譜的峰高,或者使信號過早飽和而丟失數(shù)據(jù)細節(jié),,這不僅嚴重降低了光譜儀檢測的動態(tài)范圍,,還會顯著影響后續(xù)光譜分析算法的準確性和可靠性。因此,,通過一定方法嚴格控制光譜儀的基線漂移程度尤為重要,,在不同環(huán)境溫度和積分時間下,有效光譜信號所基于的基線值的大小也是評價一款光譜儀性能好壞的關(guān)鍵參數(shù)之一[2-4],。

本文將以國產(chǎn)紫光同創(chuàng)的FPGA芯片作為主控核心,,使用Hamamatsu公司的S8378-256Q型CMOS線陣圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件,設(shè)計一套具有實時反饋功能的光譜儀動態(tài)基線補償系統(tǒng),。該系統(tǒng)結(jié)合光譜儀光路設(shè)計和CMOS像素信號順序讀出的特點,,利用FPGA能夠并行處理和緩存數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,在ADC采集有效光譜信號之前得到該幀圖像的基線漂移值并實時反饋到模擬信號處理模塊,,利用運算放大器組成減法電路對基線值進行補償,。實驗證明,,這種設(shè)計可以很好地解決由線型圖像傳感器暗電流噪聲變大而引起的光譜儀基線漂移問題。


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作者信息:

于呈豪,,薛萌,,石朗杰,郭漢明

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,,上海200093)


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