随着CCD性能的不断提高,测量系统快速采样、存储、处理和传输成为了CCD数据采集发展的新方向。经过几十年的不断发展与更新,CCD性能不断提升,被人们应用于各个领域,包括航空航天、传媒摄像、工业生产等。线阵CCD被广泛应用于一维尺度的测量,测量系统由于灵敏度高、测量范围大、线性好等优点而被不断开发利用。
为了提高 CCD一维尺度无接触测量系统的精度和集成度,本文设计了以FPGA器件为核心的测量系统。实验室原有的测量系统是基于 CPLD+单片机的,该测量系统电路较复杂,而 FPGA一块芯片就能完成原有系统的功能。本系统使用CCD将光强信号转换成模拟电信号后,通过模数转换器转换成数字信号,并存放在FPGA内嵌的FIFO中进行缓存,最后通过串口上传至上位机显示出来。使用Verilog HDL语言在Quartus II软件中编写CCD驱动时序、AD工作时序和FIFO的控制时序,并在Signal TapII逻辑分析仪中对编写的时序进行仿真。
本文选用的线阵CCD为东芝公司生产的TCD1209D,具有动态范围大、暗信号电压小、总传输效率高以及灵敏度高等特点,非常适合一维尺度测量。用于模数转换器的器件型号为AD9945,它适合用于对CCD输出的模拟信号进行完整处理。
本系统对精度要求较高,因为CCD输出信号本身就较小,饱和输出电压为2V,所以噪声的抑制显得尤为重要,本文对噪声进行了特别的处理。电源噪声通过EMI滤波器和LC-π型低通滤波器来进行滤波,CCD噪声通过低通滤波器和相关双采样处理进行滤波。同时电路板在布局布线的时候,也要考虑到噪声抑制的问题。本系统使用的上位机软件中含有信号处理的功能,采用傅立叶变化,将时域上分布的信号转换成频域上的分布,并对频率成分进行低通滤波。
电路板调试成功后,我们需要对系统的性能和精度进行测试。搭建单缝衍射实验光路,对衍射光强进行分析。本文给出了具体的数据和误差分析,并对实验方法提出了改进方案。通过实验表明:本系统稳定,精度达到0.71％,基本达到实验设计目的。
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