一种扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路

摘要

本发明提出一种基于扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路，包括电源管理电路和光谱仪控制电路。其中光谱仪控制电路包括至少两路用于光谱信号采集的PGA和ADC通道，一路用于角度传感采集的PGA经滤波器及ADC通道，用于扫描光栅微镜驱动的DAC经滤波器及PGA通道，用于上位机通讯的USB接口电路，外部缓存及作为主控芯片的FPGA。本发明中，PGA通过FPGA的IO口接收PGA控制信号，实现了探测器输入信号增益可编程，提高了光谱仪控制电路的灵活性。通过FPGA同步时钟信号对系统中ADC的控制，实现了扫描光栅微镜角度传感信号与光谱信号的同步采集，便于上位机精确完成光谱重构。

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路。

背景技术

光谱分析仪器是一种重要的现代光学仪器，通过运用分光原理实现对物质的结构和组分的定性与定量分析。近红外光谱分析技术能够高效完成含有氢基团的分子的倍频与合频吸收信息检测，被广泛应用于工业生产和物质探测等领域。近红外光谱指波长在800nm~2500nm范围内的电磁波，常见的近红外光谱仪可大致分为色散式、滤光片式、傅立叶式、声光调谐式等。

目前，随着环境监测、食品安全检测、生物医药等领域的高速发展，对于光谱仪提出了微型化、低成本、宽光谱范围、高精度的要求，而基于扫描光栅微镜设计的近红外光谱仪往往因为探测器相应谱段的限制，无法实现单管探测器覆盖全近红外光谱。因此，在低成本基础上实现光谱仪在近红外全波段探测常采用双（多）探测器的方式来完成此类扫描光栅微镜光谱仪的设计。这种设计方法降低了光谱仪的成本，与此同时为光谱仪的光路设计和仪器中电路设计都带来了挑战。

基于扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路是集成扫描光栅微镜近红外光谱仪的关键组成部分之一，其主要作用为对基于扫描光栅微镜近红外微型光谱仪中的扫描光栅微镜进行驱动控制，并采集探测器探测到的光谱信号，传输到上位机中。目前，常见的MEMS扫描光栅微镜光谱仪一般采用单探测器配合一路AD采集实现光谱信号的获取，并于此同时利用模拟闭环控制实现光谱仪中微镜的振幅、相位、频率控制，此种低成本方案在控制精度方面存在局限性，模拟器件在复杂的工作环境中会受到较大影响；另外，用于光谱信号采集的一路AD和闭环控制信号不能实现同步，环境中振动等干扰会使微镜的工作状态出现漂移，对于光谱重构而言十分不利。

发明内容

本发明针对现有集成扫描光栅微镜近红外光谱仪工作电路的以上问题，提出了一种扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路，其通过采用双(多)路光谱信号采集通道配合双(多)探测器，提供近红外光谱范围的全覆盖光谱仪的解决方案，光谱信号和角度传感信号的同步采集和控制，使得所设计的光谱仪工作电路可以适应复杂的使用环境，并且为光谱重构和后端开发提供可靠的硬件支持。

本发明具体采用以下技术方案：

一种扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路，其包括系统电源管理电路和光谱仪控制电路组成。

所述系统电源管理电路内含DC-DC、LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器)以及基准电压源。为光谱仪控制电路元器件提供能量，并为光谱仪控制电路芯片工作提供基准电压。

所述光谱仪控制电路包括至少两路用于光谱信号采集的PGA和ADC通道，一路用于角度传感信号采集的PGA、滤波器及ADC通道，一路用于扫描光栅微镜驱动的DAC、滤波器及PGA通道，用于与上位机实现控制数据通讯的USB接口电路，外部缓存以及FPGA；

在所述光谱仪控制电路中，光谱信号采集通道的各个PGA的输入端分别连接一个探测器，输出端分别连接对应的ADC，将探测器探测并输出的光谱信号放大后经ADC由模拟信号转换为数字信号，ADC通过CH1及CH2数据总线将信号输入FPGA进行处理；角度传感信号采集通道的PGA的输入端连接角度传感器，输出端连接对应的ADC，将角度传感器信号进行放大后经ADC由模拟信号转化为数字信号，ADC再由角传数据总线将信号输入FPGA进行处理；FPGA通过信号缓存总线将光谱数据信息及角度传感器信息缓存至外部缓存，并通过上位机通讯总线将光谱数据信息输出至USB接口电路，并经USB总线将数据上传至上位机；上位机亦可发出驱动控制信号，经USB总线由USB接口电路通过上位机通讯总线输入FPGA，经FPGA电路处理后通过驱动信号总线经扫描光栅微镜驱动通道的DAC转换为模拟信号，DAC输出的模拟信号通过滤波器进行滤波，使模拟微镜驱动信号平滑，滤波器输出信号经PGA放大后进入微镜驱动器，驱动扫描光栅微镜振动。

本发明中，各个探测及角度传感器构成信号输入部分，输入扫描光栅微镜反射的光谱信号及扫描光栅微镜角度传感器角度及位移信号。

本发明中，PGA为可编程增益放大器，FPGA可以通过IO口将PGA控制信号输入PGA中控制其对信号的放大倍数，从而实现了光谱探测器放大倍数可编程化，提高光谱信息采集的灵活性。

本发明中，FPGA通过IO口对各路光谱信号采集及一路角度传感信号采集链路中的ADC发送FPGA同步采集时钟信号，同步进行模拟到数字信号转换，实现同步采集，便于光谱信号在上位机中完成光谱重构工作。

本发明中，角度传感器信号进入FPGA前经过滤波器滤波，滤除了外界信号干扰，提升了信噪比，FPGA发出的驱动控制信号进入微镜驱动器前经过滤波器滤波，确保了驱动信号中不含有高频成分的干扰。

本发明中，FPGA通过信号缓存总线将采集到的光谱数据信号及角度和位移传感信号输入外部缓存，并由上位机通讯总线将信号输入USB接口电路，通过USB总线将信号上传至上位机，完成信号上传及通讯任务。

本发明具有以下技术方案特点：

1.系统电源管理电路包含DC-DC、LDO、基准电压源，不仅可以为光谱仪控制电路元器件提供能量，而且可以为光谱仪控制电路芯片工作提基准电压，提高了光谱仪控制电路工作的精密性和稳定性。

2. FPGA通过IO口发送PGA控制信号控制PGA，从而实现光谱探测器放大倍数可编程化，提高了光谱信息采集的灵活性。

3.角度传感器信号进入FPGA前，以及FPGA发出的驱动控制信号进入微镜驱动器前均经过滤波器滤波，滤除了外界信号干扰，提升了信号的纯净性和光谱仪控制电路系统的运行流畅程度。

4. FPGA可以通过信号缓存总线、上位机通讯总线及USB总线由外部缓存及USB接口电路实现与上位机的信号上传与通讯功能。

5.上位机可发出微镜驱动控制信号经FPGA控制扫描光栅微镜的振动频率及幅值，实现了上位机对扫描光栅微镜运动参数的控制

6. FPGA通过IO口对两路或多路光谱信号采集ADC和一路角度传感信号采集ADC发出同步时钟控制信号，实现了多路信号同步采集，便于光谱信号在上位机中完成光谱重构工作。

附图说明

图1 为本扫描光栅微镜近红外光谱仪工作电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示为本发明扫描光栅微镜近红外光谱仪工作电路的原理框图。

扫描光栅微镜近红外光谱仪的工作电路由系统电源管理电路和光谱仪控制电路组成。

系统电源管理电路内含DC-DC、LDO、基准电压源，不仅为光谱仪控制电路元器件提供能量，而且可以为光谱仪控制电路芯片工作提供基准电压。

本例中，光谱仪控制电路包括两路用于光谱信号采集的PGA和ADC通道，一路用于角度传感信号采集的PGA、滤波器及ADC通道，一路用于扫描光栅微镜驱动的DAC、滤波器及PGA通道、USB接口电路、外部缓存、FPGA。

本例中，两路光谱信号采集通道的探测器1和探测器2分别将采集到的光谱信号输入各自的PGA进行放大，放大后的光谱信号经各自的ADC由模拟信号转换为数字信号后经数据总线输入FPGA进行处理。本发明采用双光谱探测器设计使得集成扫描光栅微镜扫描范围能够覆盖全部近红外波段，提升近红外光谱仪的设计完整性。

角度传感器将采集到的扫描光栅微镜角度和位移信号送入对应的PGA进行放大，经滤波器去除前置电路噪声及外界干扰后输入对应的ADC由模拟信号转换为数字信号，由角传感数据总线输入FPGA进行下一步处理。角度传感器信号进入FPGA前要经过滤波器滤波，滤除外界信号干扰，提升信噪比。

FPGA通过IO口对两路光谱信号采集ADC和一路角度传感信号采集ADC发出同步时钟控制信号，实现同步采集，便于光谱信号在上位机中完成光谱重构工作。

FPGA通过信号缓存总线将采集到的光谱数据信号及角度和位移传感信号输入外部缓存，并由上位机经通讯总线将信号输入USB接口电路，通过USB总线将信号上传至上位机。FPGA通过外部缓存和USB接口电路与上位机完成通讯。

上位机亦可将微镜驱动信号通过上位机通讯总线输入USB接口电路，接着通过上位机通讯总线将微镜驱动信号输入FPGA进行处理，处理后的微镜驱动信号通过驱动信号总线输入DAC由数字信号转换为模拟信号，DAC输出的模拟信号通过滤波器进行滤波，确保了驱动信号中不含有高频成分的干扰，使模拟微镜驱动信号平滑，滤波器输出信号经PGA放大后进入微镜驱动器，驱动扫描光栅微镜振动。

以上，本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施实例做了详尽的说明与描述，本领域技术人员应该理解，以上实施实例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。