概述

在光譜測(cè)量中，常用光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件" title="電荷耦合器件">電荷耦合器件（CCD）作為光電轉(zhuǎn)換器,。在慢變化、高精度光譜測(cè)量中使用PMT；對(duì)于閃光燈,、熒光和磷光等強(qiáng)度隨時(shí)間變化時(shí)的光譜信號(hào)則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號(hào)形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續(xù)的模擬信號(hào),；CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào),。由于輸出信號(hào)的不同，相應(yīng)的信號(hào)采集電路也不盡相同,。本文所述的系統(tǒng)通過設(shè)定控制開關(guān)的不同狀態(tài),，由單片機(jī)檢測(cè)、判斷和執(zhí)行相應(yīng)的操作,，完成對(duì)不同形式輸入信號(hào)的采集,。采集到的光譜強(qiáng)度通過并口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,、計(jì)算，并顯示和打印出光譜曲線,。


由于CCD像元幾何尺寸小,、精度高，有光積分時(shí)間和信號(hào)存儲(chǔ)功能,，因此,，可以用來進(jìn)行光譜測(cè)量。被測(cè)光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫落在光柵平面上,，經(jīng)光柵色散后在CCD像元上成像,，CCD各像元的位置對(duì)應(yīng)于光線色散后不同的波長(zhǎng)。CCD輸出的是被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào),，在視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱,，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行逐位采樣,，根據(jù)采樣的位數(shù),，就可以知道信號(hào)所在的波長(zhǎng)，而信號(hào)的幅度則是該波長(zhǎng)的光譜能量,。這樣,，只要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一次采樣，就可以得到在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜分布曲線,，因而可以用來測(cè)量閃光燈等瞬態(tài)發(fā)光光譜,。光電倍增管以其特有的倍增系統(tǒng)，成為一種理想的低噪聲放大器,。它可以探測(cè)極微弱的光信號(hào),，而且響應(yīng)速度很快，有效面積也大,，被廣泛應(yīng)用于光信號(hào)測(cè)量的領(lǐng)域,。光電倍增管輸出的是一個(gè)理想的電流源，外接一個(gè)負(fù)載電阻,，通過測(cè)量信號(hào)電流在負(fù)載上的電壓降,，即可得到光譜信號(hào)。

一,、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)控制A/D" title="A/D">A/D采集光譜信號(hào)是一種方便快捷的方法,。光譜數(shù)據(jù)采集" title="光譜數(shù)據(jù)采集">光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機(jī),、CCD時(shí)序產(chǎn)生電路,、多路選擇開關(guān)、A/D采樣電路,、存儲(chǔ)器,、并行口倍增管高壓調(diào)整電路等組成,。我們?cè)O(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路可以用于兩種探測(cè)器。針對(duì)不同的探測(cè)器,，單片機(jī)工作在不同的狀態(tài)，利用同一A/D采樣電路,，完成信號(hào)的采集,。A/D采樣通過并口和計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)完成光譜數(shù)據(jù)的處理,。這在應(yīng)用中非常方便實(shí)用,，可以滿足光譜測(cè)量要求。

AT89C52是美國(guó)ATMEL公司的產(chǎn)品,。89系列的單片機(jī)與80C51系列完全兼容,。它的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器。我們選用的AT89C52是在標(biāo)準(zhǔn)型AT89C51基礎(chǔ)上改進(jìn)的（在存儲(chǔ)器容量,、定時(shí)器和中斷能力上加以改進(jìn)）,。AT89C52的內(nèi)部含有8KB可改寫的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可擦/寫1000次,，3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密,，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32根可編程I/O線,，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,，可編程串行口，中斷級(jí)8級(jí),。 1.A/D轉(zhuǎn)換 在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX120。其引腳和電路原理如圖2所示,。


MAX120是一種采用BiCMOS工藝,、帶采樣電路的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）；它有片內(nèi)的跟蹤,、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準(zhǔn)電路,，而且轉(zhuǎn)換速度快、功耗低,。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.6μs,，其中包含了T/H電路250ns的采樣時(shí)間，因此,，MAX120的吞吐率高達(dá)5%26;#215;10 5次/s采樣,，可以滿足一般測(cè)量需要。 MAX120可以接收-5～+5V的模擬輸入電壓,，惟一需要的外部元件是去耦電容（用于為電源電壓和基準(zhǔn)電壓去耦）,。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號(hào),。MAX120采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出可直接與12位數(shù)據(jù)總線連接,。訪問數(shù)據(jù)和在線釋放的時(shí)序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)微處理器兼容,。所有的邏輯輸入端和輸出端與TTL/COMS電平兼容。

圖2（b）所示電路圖中,，內(nèi)部緩沖器對(duì)電容進(jìn)行充電以減少2次轉(zhuǎn)換之間所需的采集時(shí)間,。模擬輸入端可以看作1個(gè)6kΩ電阻與10pF電容并聯(lián)的電路。2次轉(zhuǎn)換之間,，緩沖器輸入通過輸入電阻與AIN相連,。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí)，該輸入端又與AIN斷開,，于是就采集了輸入信號(hào),。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，緩沖器輸入端又重新與AIN相連,，保持電容再次充電至輸入電壓,。只要不是正在轉(zhuǎn)換過程中，T/H電路就處在跟蹤方式下,。

MAX120有5種工作方式：全控制方式,、獨(dú)立方式、慢存儲(chǔ)方式,、ROM方式和連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,。

方式1是全控制方式，它為用戶提供最大的控制能力,，以控制轉(zhuǎn)換的開始和取數(shù)操作,。全控制方式用于能插入或不插入等待狀態(tài)的微處理機(jī)系統(tǒng)。

方式2是獨(dú)立方式,，為用戶提供較大的自主空間,。

方式3是慢存儲(chǔ)方式，主要用于ADC的轉(zhuǎn)換期間微處理器不能被強(qiáng)制進(jìn)等待狀態(tài)的微處理器系統(tǒng),。

方式4是ROM方式,。

方式5是連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，用于基于微處理器的系統(tǒng),。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MAX120的工作方式2,，即獨(dú)立方式（MODE=開路，RD=CS=DGND）電路連接方式如圖3所示,。


這種方式下,，MAX120能直接與FIFO緩沖器相連或通過DMA口直接與存儲(chǔ)器相連。在獨(dú)立方式下,，CONVST引腳上的下降沿啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換,，數(shù)據(jù)輸出端總是開放的,，當(dāng)INT/BUSY引腳電平的上升沿指示轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)端上數(shù)據(jù)就得到更新,。因?yàn)锳/D的數(shù)據(jù)端總有數(shù)據(jù),，所以，用74HC245雙向三態(tài)八總線收發(fā)器進(jìn)行總線隔離,。 MAX120的輸入信號(hào)范圍為-5～+5V,。在對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整時(shí)，需要用1片LF356運(yùn)算放大器,，電路連接如圖4所示。


通過對(duì)電位器RP2和RP3的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)電平調(diào)整,，以滿足A/D對(duì)輸入信號(hào)的要求,。電路MAX120為雙極性輸入/輸出的變換函數(shù)。代碼的變換均出現(xiàn)在相繼兩個(gè)整數(shù)最小數(shù)據(jù)位（LSB）值的中間,。輸出代碼是2的補(bǔ)碼的二進(jìn)制碼且1LSB=2.44mV（10V/4096）,。增益調(diào)整和雙極性偏置調(diào)整，由圖4中的電位器RP3和RP2來實(shí)現(xiàn),，調(diào)整中偏置調(diào)整應(yīng)先于增益調(diào)整,。調(diào)整雙極性偏置時(shí)，將+1/2LSB（0.61mV）施加到?jīng)]有反向的放大器輸入端,，然后調(diào)節(jié)RP3,，使輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。對(duì)增益的調(diào)整,，將滿量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的輸入端,，然后調(diào)節(jié)RP2，使輸出代碼在0111 1111 1110和0111 1111 1111之間變化,。這兩個(gè)調(diào)整之間可能有一些相互影響,，須要反復(fù)調(diào)整。偏置和增益的調(diào)整是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的細(xì)分,，目的在于提高A/D的精度,。

2.A/D轉(zhuǎn)換的過程

本系統(tǒng)中，CCD輸出信號(hào)的重復(fù)頻率為200kHz,，因而,，要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要高于200kHz。A/D轉(zhuǎn)換器的工作控制不用系統(tǒng)CPU來完成,，而是用專用邏輯控制電路完成,，包括地址產(chǎn)生器、總線緩沖隔離器,、讀寫控制邏輯電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中,，CPU只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)和檢測(cè)1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，中間過程無須CPU干預(yù),，使對(duì)CCD1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由邏輯控制電路自動(dòng)完成,。A/D一次采樣的工作過程為：①接收光耦同步采集信號(hào)； ②驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,；③單片機(jī)查詢是否轉(zhuǎn)換完成,；④讀出數(shù)據(jù)，存入存儲(chǔ)器,。轉(zhuǎn)換過程控制程序框圖如圖5所示,。


用光電倍增管對(duì)小于10kHz調(diào)制頻率的慢變化光譜信號(hào)的測(cè)量，50kHz的采樣頻率可以滿足測(cè)量的要求,，其采集電路可以適用于各種光電倍增管的輸出信號(hào)采集,。我們選用12MHz的時(shí)鐘頻率，對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化,，其運(yùn)行的時(shí)間為20μs,，采樣頻率為50kHz，可以滿足采樣的要求,。

3.光電倍增管的高壓調(diào)整

在光電倍增管應(yīng)用中,，高壓的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量的精度。一般,，光電倍增管的倍增級(jí)為10級(jí)左右,，圖6所示為倍增管高壓與電流增益之間的電流增益之間的倍增關(guān)系。從圖6可看出電流增益約與陰極-陽(yáng)極間所加電壓的10 6～10 10成比例,。


所以PMT的輸出對(duì)工作電壓非常敏感,，使用時(shí)，必須用高穩(wěn)定性的高壓電源,。高壓電源的漂移,、紋波、溫度變化,、輸出變化,、負(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度必須優(yōu)手所要求的光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)。我們選用的是由HAMAMATSU（濱松）公司生產(chǎn)的高壓模塊,，其電壓最大漂移量為%26;#177;0.03%h,。為擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，須對(duì)光電倍增管的高壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,。圖7是控制電壓和控制電阻上相應(yīng)的輸出電壓的關(guān)系曲線,。


光電倍增管的專用高壓模塊通過改變高壓模塊調(diào)整端的電壓或電阻，來改變輸出端的高壓。調(diào)整電阻用10kΩ電位器,，電壓調(diào)整范圍為0～1.4V,。圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。


為滿足不同的測(cè)量要求,，需要設(shè)置三個(gè)量程,。一般量程的調(diào)整為人工調(diào)整電位器，效率較低,、精度不好控制,。這里我們利用單片機(jī)控制可編程數(shù)字電位器X9C103來實(shí)現(xiàn)調(diào)整倍增管高壓，圖9是X9C103的接線原理圖,。


根據(jù)測(cè)量輸出信號(hào)的強(qiáng)弱,，相應(yīng)調(diào)整PMT的高壓，并將調(diào)整的狀態(tài)通過并口送入計(jì)算機(jī),。X9C103是一個(gè)包含100個(gè)電阻單元的電阻陣列,。在每個(gè)單元之間和任一端都有可以被滑動(dòng)單元訪問的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元的位置由片選輸入端CS、升/降輸入端U/D,、增加輸入端INC控制,。它類似于TTL升/降計(jì)數(shù)器，總阻值10kΩ,、工作時(shí)鐘250kHz,、工作電壓+5V，滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中,，可在上電時(shí)重新調(diào)用,，滑動(dòng)端位置數(shù)據(jù)可保存100年。X9C103是固態(tài)非易失性電位器,，它與機(jī)械電位器相比有調(diào)節(jié)更精確,、不受意外影響（振動(dòng)、污染）,、節(jié)省空間,、易于安裝、滑動(dòng)端位置易于由單片機(jī)或邏輯電路控制的優(yōu)點(diǎn),，是理想的數(shù)控微調(diào)電位器,。三線接口由單片機(jī)P0口控制1片74LS374來完成鎖存，軟件編程實(shí)現(xiàn),。

二,、應(yīng)用

為了滿足光譜采集的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路,，應(yīng)用單片機(jī)控制A/D芯片完成對(duì)于兩種不同的探測(cè)器輸出信號(hào)的采集,。實(shí)際應(yīng)用表明,，采集系統(tǒng)的信噪比、采樣頻率等性能可以滿足測(cè)量的要求,。

1.用于CCD輸出信號(hào)采集

采用CCD測(cè)量光譜大大縮短了測(cè)量時(shí)間,，減少了外界環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。對(duì)于閃光燈,、熒光和磷光等強(qiáng)度隨時(shí)間變化的光源,，采用CCD測(cè)量其光譜分析，能得到精確的測(cè)量結(jié)果,。單片機(jī)在其中要完成的工作是控制CCD時(shí)序脈沖的產(chǎn)生和高速A/D采樣頻率的實(shí)現(xiàn)等,，其原理框圖如圖10所示。


對(duì)于兩相線陣CCD,，須要在其相關(guān)引腳加入適當(dāng)脈沖才能正常工作,，主要有兩相時(shí)鐘脈沖ψA和ψB、轉(zhuǎn)移門ψTG,、復(fù)位門ψR,，并且要輸出與CCD輸出信號(hào)同步的脈沖，作為信號(hào)采集的同步觸發(fā)信號(hào),，其主驅(qū)動(dòng)脈沖由單片機(jī)控制產(chǎn)生,。 CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻脈沖信號(hào)后，經(jīng)差分放大和電平調(diào)整電路后,，輸出滿足MAX120輸入信號(hào)范圍的信號(hào)（-5～+5V）,，送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。邏輯控制電路的輸入信號(hào)是CCD視頻脈沖同步信號(hào),、微處理器控制是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換信號(hào),、A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址信號(hào)，經(jīng)一定的邏輯運(yùn)算后輸出A/D轉(zhuǎn)換的起始信號(hào),、地址產(chǎn)生器的計(jì)數(shù)信號(hào)以及送入AT89C52單片機(jī)計(jì)數(shù)端口用來控制轉(zhuǎn)換次數(shù)的計(jì)數(shù)信號(hào),。數(shù)據(jù)隔離器的作用是將A/D轉(zhuǎn)換部分的數(shù)據(jù)線與主機(jī)部分的數(shù)據(jù)線隔離，使兩部分可同時(shí)獨(dú)立工作,，不會(huì)產(chǎn)生干擾,，且在需要時(shí)可將A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果（在存儲(chǔ)器中）讀入主機(jī)進(jìn)行處理。地址產(chǎn)生器由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址線與計(jì)數(shù)器的輸出端相接,，計(jì)數(shù)輸入信號(hào)有清零信號(hào)和計(jì)數(shù)信號(hào)。其中,，清零信號(hào)受主機(jī)控制,，每次對(duì)1幀CCD信號(hào)轉(zhuǎn)換前，必須將地址產(chǎn)生器清零，使2048個(gè)像元信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果從零地址開始依次存放,；同樣,，在讀存儲(chǔ)單元時(shí)，也要先地址產(chǎn)生器清零,。計(jì)數(shù)信號(hào)由邏輯控制單元提供,，在A/D轉(zhuǎn)換和讀存儲(chǔ)器期間，每對(duì)存儲(chǔ)器操作1次就使地址加1,，連續(xù)操作就可以順序讀寫存儲(chǔ)器,。地址分配器是主機(jī)用來給每個(gè)讀寫端口分配地址的。由于本系統(tǒng)的獨(dú)持設(shè)計(jì),，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只占用1個(gè)地址,。只要反復(fù)對(duì)某一地址操作，就可將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀出,。最后,，由系統(tǒng)總控制單元采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算對(duì)其進(jìn)行處理得到被測(cè)物圖像的信息。系統(tǒng)總控制單元除完成數(shù)據(jù)處理工作以外,，還擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、CCD積分時(shí)間控制、PC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制等工作,。下面給出利用信號(hào)采集系統(tǒng)得到的實(shí)測(cè)光譜,。


圖11是用CCD實(shí)測(cè)的閃光燈泵浦可調(diào)諧摻鈦寶石激光器的輸出光譜。通過在激光腔內(nèi)加一鈮酸鈮晶體光電開關(guān),，改變鈮酸晶體上的電壓，使不同波長(zhǎng)的光在激光腔內(nèi)發(fā)生振蕩,，從而實(shí)現(xiàn)鈦寶石調(diào)諧,。這是一種新型的實(shí)現(xiàn)鈦定石調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)方法，圖11所示光譜線就是改變鈮酸鈮晶體電壓,，用CCD實(shí)測(cè)的鈦寶石激光器的輸出光譜線,。每改變一次電壓就能很快地、準(zhǔn)確地得知輸出光的波長(zhǎng)和帶寬,。


2.用于光電倍增管輸出信號(hào)采集

根據(jù)被采集光譜信號(hào)的特征和采樣頻率的要求,，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路，如圖12所示,。


它的采樣頻率為50kHz,，同時(shí)根據(jù)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)弱，相應(yīng)地調(diào)整光電倍增管的高壓,，從而提高采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,。在這種工作模式下，由AT89C52完成信號(hào)采集過程控制和倍增管的高壓自動(dòng)調(diào)整?？刂仆瓿尚盘?hào)的采集,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由一片6264完成,，采集到的光譜強(qiáng)度通過并行口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,。由于PMT的靈敏度高、精度高,，常用來測(cè)量分子吸收光譜,。利用光譜法檢測(cè)空氣中污染氣體的含量，是目前常用的快捷,、連續(xù),、在線的監(jiān)測(cè)方法。研究污染氣體分子的特征吸收光譜是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵,。圖13是利用光電倍增管測(cè)得的SO2特片吸收光譜,。它是用氘燈日光源，光經(jīng)過含有SO2氣體的吸收波,，由光譜儀分光,，在出射狹縫處用光光倍增管接收光譜信號(hào)。在50kHz采樣頻率下測(cè)得SO2在300nm波長(zhǎng)附近的特征吸收光譜,，入射光的調(diào)制頻率日1kHz,。

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