分光光度計的核心部分是光譜采集和處理系統，其通過光電轉換器件把經過物質吸收后的光譜信號采集進來，并通過顯示器件實時顯示。傳統的分光光度計通常采用光電管來實現這一轉換，由于光電管的體積較大，而且需要復雜的機械裝置把光譜投射到光電管上，因此傳統的分光光度計體積非常笨重，而且價格也十分昂貴。CCD技術的發展使得分光光度計發生了革命性的變化，由于CCD技術的易集成、采集速度快等優點使得分光光度計逐漸朝著微型化和便攜性方面發展。

　　本文提出的分光光度計的光譜采集系統通過使用CCD與微處理器件的協調工作，可以用來測試可見光波段的吸收強度并能初步的估計吸收量的大小，從而為物質分析提供參考。

　　1 CCD驅動及噪聲處理技術研究

　　1．1 CCD驅動時序研究

　　CCD作為光電轉換的理想器件是因為其較低的噪聲、較高的轉移效率和較快的光譜響應，其采用交替變換的脈沖來移出儲存在其中的光信號并以電壓輸出的方式表示。由于轉移效率較高，因此其工作頻率一般在MHz標準。本文采用的CCD器件則是最高轉移頻率在1 MHz的東芝公司生產的TCD1208AP線陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個基本像元組成，其中可用來進行光譜數據轉換的像元只有2 160個，其他的像元用來控制噪聲和填充數據幀。TCD1208AP每個像元的尺寸為14μm×14μm，所以對色散器件的色散能力要求不是很高，同時其擁有較高的光靈敏度以及較高的工作頻率使得其光譜采集的速度非常快，達到ns級別。利用物質吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長不同的光映射在CCD傳感器上的每個像元位置，每個像元位置對應一個波長的光的強度。像元與波長的關系可以通過微處理器來進行標定，傳感器采集不同波長的光信號，光信號的強度與CCD受照射的時間（CCD的積分時間）有關，通過改變積分時間可以影響每個像元上光強度的大小。

　　TCD1208AP正常的工作需要四路驅動脈沖，即積分時間控制脈沖SH、像元內光信號轉移脈沖φ1和φ2以及清除CCD像元內剩余電荷的復位信號RS。四路驅動脈沖的時序圖如圖1所示。

　　RS一般工作在1 MHz的速度，其脈沖的占空比為30％，φ1，φ2工作的占空比為50％，SH為CCD的積分時間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個RS周期的時間。開始工作時，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來時能馬上建立電勢差，從而使得CCD的電荷順利轉移出去。

　　1．2 CCD噪聲處理技術探討

　　TCD1208AP的輸出信號有VOS和VDOS，其中VOS為摻雜了噪聲的有效輸出信號，其噪聲的主要成分為RS引起的復位噪聲，VDOS為補償輸出端。

　　CCD的輸出信號摻雜有直流電平和RS復位脈沖，因此在進行模擬到數字的轉換時，必須把其中的直流電平（圖示為1．08 V）和RS（1 MHz的復位脈沖）脈沖濾除。直流電平的濾除可以使用VDOS補償輸出，通過VOS與VDOS之間的加減運算來實現。圖2所示的即為濾除直流電平后的信號圖，圖中信號c為不帶直流電平而帶有復位噪聲的光譜吸收信號。有效的光譜吸收信號在復位脈沖之后，物質對不同波長光的吸收程度體現在該信號的大小上。

　　復位噪聲的消除是通過對模擬到數字中的采樣點的選擇來實現。通過把采樣的時刻設定在有效的光譜信號區域，并把該時刻視頻信號的電壓值轉換為數字量，以便進行后續的信號處理過程。而采樣的脈沖有兩種來源，一是通過引入額外的脈沖源，通過精確的控制來實現；二是使用CCD的復位脈沖RS來實現，通過觀察發現CCD的復位脈沖RS的脈寬區恰好位于CCD有效的光譜信號區域，因此可以用復位脈沖作為模擬到數字信號轉換部分的采樣脈沖輸入端。

　　2 光譜采集系統中關鍵硬件電路設計

　　光譜采集系統的硬件電路主要用來實現物質吸收光譜的采集、轉換以及對轉換后的光譜數據進行適當的處理，因此，穩定、高精度的硬件電路是光譜采集系統有效精確工作的基礎。

　　2．1 CCD驅動及CCD預處理電路設計的研究

　　CCD的正常工作需要精確時鐘的配合，選用TCD1208AP線陣CCD作為本文的光電轉換器件，其需要四路時鐘脈沖的驅動：SH，φ1，φ2，RS。四路脈沖的幅值為5 V，屬于標準的TTL邏輯電平。在驅動設計時可以使用微處理器來實現也可以使用FPGA或者CPLD等邏輯陣列來實現。但微處理器的時鐘精確度相對于邏輯陣列比較低，且存在相位不同步的問題，因此，本文設計的方案使用CPLD來實現，其芯片為Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V電平的輸出能力，可以和TCD1208AP直接連接而無需其他電平轉換芯片，硬件連接圖如圖3所示。

　　CPLD使用10 MHz的有源晶振輸入，為了提高CPLD的驅動能力，使用了反相器74HC04對CPLD輸出的驅動脈沖進行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驅動脈沖的高低電平與正常驅動CCD的脈沖必須是反相的。CPLD輸入的時鐘clk為10 MHz，通過HLD硬件編程語言實現十分頻，輸出1 MHz的CCD復位脈沖。

　　1．2 節討論利用VOS與VDOS的加減運算來實現光譜

　　信號中直流電平的濾除，硬件則利用運算放大器來實現這一過程。本系統采用AD公司的AD8051運算放大器，其工作帶寬最高達110MHz，較低的建立時間使得其處理高頻信號的能力較強，根據基本運算放大器計算規則，得出輸出信號Vout為：

　　調節R9的值則可以改變Vout的輸出值，此時的Vout就是沒有直流電平的物質光譜吸收信號。

　　經過處理后的物質吸收光譜信號，進入AD轉換模塊，在該模塊可以對光譜信號中的復位脈沖進行濾除，從而得到有效的光譜信號。采用的AD轉換芯片是BB公司的8 bit模擬到數字轉換芯片，其采樣率可以達到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其轉換速率和精度滿足光譜采集系統的高速和高精度的要求。ADS830需要4個時鐘周期才能完成數據采樣和數字信號的輸出，在接收ADS830轉換的數字信號時需要控制好接收數據的時刻，以便準確無誤的得到需要的數據。

　　圖4為使用ADS830來進行光譜數據數字化的轉換電路，ANALOGIN輸入則是通過AD8051后處理的不帶直流電平的光譜數據。由于ADS830的輸入端電壓范圍是1．5～3．5 V，因此，為了使得經過AD8051的光譜信號處于這一范圍，需要通過調節R9的值來實現。D1～D8則是轉換后的光譜信號，該信號送入微處理器進行后續處理。