分光测色仪中的双光电路设计

　　1　引　言

　　分光测色仪是一种基于现代色度学理论,以CIE标准色度学系统为标准的,进行颜色测量的科学仪器。光电转换器是分光测色仪器中的最主要电子部件,而作为光信号采集的电荷耦合器件(charge coupledevice,CCD)图像传感器更是其中的重点。随着光传感技术的不断发展,这种半导体器件已经在尺寸测量,图像传感,定位控制等诸多领域得到了广泛的应用。但在光学领域,象高精度的分光测色仪,需要处理非常微弱的光信号,特别是偏紫外部分的光信号,普通的电荷耦合器件由于其工艺水平和性能参数等方面受到厂商的制约难以达到较高的水平。

　　现采用的是日本滨松公司出产的自扫描光电二极管阵列(SSPA)S3921-256Q,该器件各方面参数优异,极其适合作为光谱类仪器的传感器。它接收从凹面平场光栅投过来的从380～760nm的光谱带,并转换为电信号,每位光电二极管对应光谱中的某一谱线,则全谱段的光能量大小将被检测到。电信号以串行的方式高速输出,经过运算放大器调整放大后送到A/D转换器中,然后再送交微处理器进行数据处理。电路系统的框图见图1。

　　2　S3921-256Q驱动脉冲的设计

　　S3921-256Q的时序发生电路,也就是使器件正常工作的多路时序驱动脉冲是该采集电路部分的关键,一些传统的设计方法(如EPROM方式,单片机发生方式,搭建小规模电路方式等)已经不能满足该类器件朝着整合,高速,小型化的方向发展。因此文中采用了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的设计方法[2]。

　　CPLD采用了ALTERA公司的高集成度芯片:EPM7064TC44软件环境使用的是ALTERA公司的QuartusⅡ。S3921-256Q工作在频率较高范围时,有一定的功耗,为保证驱动脉冲的驱动能力,在CPLD输出的复位脉冲PH　Reset、光积分脉冲PH　Start、箝位脉冲PH　Clamp、采样保持脉冲ADCTrig,以及二相时钟脉冲PH　1,PH　2等后面连接了一片74F244后再接入S3921-256Q,图2是通过软件仿真得到的脉冲波形,通过示波器观察,与仿真波形相符。

　　设计中S3921-256Q的移出频率为48μs/pixel,它的像元点为256位,则它的行扫描周期T≥48μs/pixel×256,即12.288ms才能保证每一位的信号能顺利移出。在初始设计中,设计了通过几根IO口线来控制光积分时间的长短,以适应不同样品下的反射光强或透射光强,使采集得到的光信号不至于饱和或则过小。但在实际应用中发现没有必要,因为只要保证在标准白板100%的光强下信号没有饱和,故对于微弱信号的采集,积分时间自然是越大越好。在反复试验后,最终采用了475.2ms的行周期,此时标准白板100%的光强为3.98V(饱和为4.096V)。

　　3　S3921-256Q输出信号调理设计[1,3,4]