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±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。
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。
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。控制完成信號(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。
