新型連續(xù)波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)信號采集和控制系統(tǒng).pdf

1、腔衰蕩光譜(Cavity ringdown spectroscopy，CRDS)技術(shù)作為一種新穎的吸收光譜檢測技術(shù)，除了傳統(tǒng)光譜技術(shù)所具有的實時、在線、原位分析能力外，還具有獨特的優(yōu)勢：不受光源強度起伏影響，高靈敏度，可自定標，絕對定量測量能力。被廣泛研究，并應(yīng)用到氣體濃度檢測等領(lǐng)域。
　　 本文提出一種新型連續(xù)波腔衰蕩光譜(CW-CRDS)的信號采集和控制系統(tǒng)，期望獲得一種成本低、集成化的連續(xù)波腔衰蕩光譜測量系統(tǒng)。整個測量系統(tǒng)

2、主要包括控制實現(xiàn)腔的激發(fā)和關(guān)斷模塊，以及高速數(shù)據(jù)采集模塊等，這些功能集成在一塊以現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)為主芯片的電路板上，因而具有集成化的特點。對于一個腔衰蕩光譜實驗，能夠成功實現(xiàn)腔的激發(fā)、關(guān)斷和高速數(shù)據(jù)采集精度是影響測量結(jié)果的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中，采用FPGA和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三角波形，對激光電流源LDP-3840B進行調(diào)制，使激光輸出頻率在一小范圍內(nèi)變化，當頻率與腔模式諧振時達到腔激發(fā)的目的；之后通過快速觸發(fā)電路中斷激光器輸出完成

3、激光快速關(guān)斷。衰蕩信號用光電探測器PDA10CS-EC檢測，經(jīng)高速放大調(diào)理后輸入到具有高采樣率、高分辨率的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AD9244)中實現(xiàn)數(shù)字化，再轉(zhuǎn)移到FPGA中緩沖、處理并存儲到RAM中；用FPGA控制USB2.0接口芯片CY7C68013A將數(shù)據(jù)傳輸給計算機，經(jīng)過軟件分析計算得到衰蕩時間。
　　 本論文的主要內(nèi)容包括：
　　 1在介紹腔衰蕩光譜原理和相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，討論了連續(xù)波腔衰蕩光譜技術(shù)的實現(xiàn)方案并闡述

4、了連續(xù)波腔衰蕩光譜系統(tǒng)的工作原理，簡單說明了光學(xué)系統(tǒng)中所使用的激光光源等裝置的特點；
　　 2設(shè)計并實現(xiàn)了用于關(guān)斷激光輸出的快速觸發(fā)電路，設(shè)計了高速AD9244的外圍輸入輸出電路和與FPGA芯片的連接電路。
　　 3詳細描述了在FPGA芯片上實現(xiàn)的各個模塊，包括激光電流源調(diào)制波形的產(chǎn)生模塊、信號放大電路的增益控制模塊、數(shù)據(jù)緩沖FIFO、數(shù)據(jù)存儲RAM和USB數(shù)據(jù)傳輸接口控制器；
　　 4開發(fā)了USB接口芯片的通信

5、程序和計算機應(yīng)用程序。最后對主要的硬件系統(tǒng)進行實物了測試。
　　 通過硬件測試，整個電子電路系統(tǒng)功能基本實現(xiàn)。觸發(fā)電路成功判斷電壓閾值并輸出脈沖信號，有效電平的持續(xù)時間能夠滿足要求；FPGA系統(tǒng)成功產(chǎn)生了激光電流源調(diào)制波形；ADC+FPGA+RAM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集速度能夠達到65Mbps的同時基本保持14位的精度，可以完成信號的采集。另外，在測試過程中發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電路的觸發(fā)速度還不夠快，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的信號存在一定的毛刺現(xiàn)象，