硅光电管光谱特性测试系统的研究

摘要

硅光电管器件由于具有响应速度快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低、易于与其它半导体器件集成等优点而广泛应用于光电检测电路中，针对光电器件及其组件的市场需求量与日俱增，为了检验光电管的光谱灵敏度，给出光谱适用范围和对器件的一个科学评价，本文对硅光电探测器光谱特性测试系统进行了设计和研究。
　　本文主要分光学部分和电学部分对系统的设计进行阐述。光栅单色仪作为光学部分的核心器件，对它的分光原理进行了详细的分析;电学部分详细介绍了信号调理电路、数据采集及步进电机控制系统的设计;以现场可编程门阵列(FPGA)为核心对模数转换器(A/D)采集的数据进行处理后与上位机进行通信，上位机经FPGA通过步进电机驱动器控制光栅单色仪中的步进电机使其发出不同频率的光。系统根据双光路替代法进行搭建，信号调理电路根据互相关原理进行设计。
　　本文在分析了各种光谱响应度测量方法的优缺点，详细介绍了光电探测器基本原理及特性并对双光路替代法和互相关原理进行理论推导的基础上，进一步阐述了系统的总体方案，各组成模块的设计方法，硬件电路的设计和软件的设计，最后给出了测量结果及相对光谱响应度曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的研究工作

第二章 实验系统的构成与原理分析

2．1 不同类型光谱分析仪特性对比

2．2 单色仪的基本组成及分光原理

2．2．1 棱镜单色仪

2．2．2 分光原理

2．2．3 光栅单色仪

2．3 光电探测器

2．3．1 硅光电二极管

2．3．2 热释电探测器

2．4 小结

第三章 总体方案的设计

3．1 光谱响应度的测量方法

3．1．1 替代法

3．1．2 转镜法

3．1．3 双光路直接比较法

3．1．4 双光路替代法

3．2 微弱光的检测方法

3．2．1 互相关原理

3．2．2 相敏检波的原理推导

3．2．3 噪声分析

3．3 硅光电管光谱特性测试系统的原理结构图

3．4 光学系统组成

3．4．1 光源

3．4．2 单色仪的选择

3．4．3 狭缝的调节原则

3．4．4 调制盘

3．4．5 探测器的选择

3．5 小结

第四章 系统硬件电路设计

4．1 信号调理电路的设计

4．1．1 光电探测器模式的选择

4．1．2 前置放大器

4．1．3 参考通道——移相器

4．1．4 相敏检波器

4．1．5 低通滤波器

4．2 数据采集部分的设计

4．3 主控芯片选用

4．4 步进电机驱动器的设计

4．4．1 步进电机运行方式

4．4．2 步进电机控制器的设计

4．4．3 步进电机控制及串口通信部分硬件连接图

4．5 硬件电路总体连接图

4．6 小结

第五章 系统软件设计

5．1 数据采集模块

5．1．1 pwm模块

5．1．2 Display模块

5．1．3 数据采集模块软件设计流程图

5．1．4 数据采集模块连接图

5．1．5 数据采集模块仿真

5．1．6 数据采集模块实验数据

5．2 串行通信及步进电机模块

5．2．1 rx_interface模块

5．2．2 data_conversion模块

5．2．3 tx_motor模块

5．2．4 串行通信及步进电机控制模块软件设计流程图

5．2．5 串行通信及步进电机控制模块连接图

5．3 上位机部分

5．4 系统软件各模块连接图

5．5 小结

第六章 实验结果及噪声分析

6．1 实验条件的选择

6．1．1 测试环境

6．1．2 轻微移动的影响

6．1．3 单色仪正反转的影响

6．1．4 测量时长的影响

6．2 测量数据

6．2．1 辅助探测器输出的有关数据

6．2．2 待测探测器输出的有关数据

6．3 误差分析

6．3．1 直接误差

6．3．2 间接误差

6．4 小结

第七章 总结

参考文献

作者简介及科研成果

致谢