新型连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)信号采集和控制系统
腔衰荡光谱(Cavity ringdown spectroscopy，CRDS)技术作为一种新颖的吸收光谱检测技术，除了传统光谱技术所具有的实时、在线、原位分析能力外，还具有独特的优势：不受光源强度起伏影响，高灵敏度，可自定标，绝对定量测量能力。被广泛研究，并应用到气体浓度检测等领域。
本文提出一种新型连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)的信号采集和控制系统，期望获得一种成本低、集成化的连续波腔衰荡光谱测量系统。整个测量系统主要包括控制实现腔的激发和关断模块，以及高速数据采集模块等，这些功能集成在一块以现场可编程逻辑阵列(FPGA)为主芯片的电路板上，因而具有集成化的特点。对于一个腔衰荡光谱实验，能够成功实现腔的激发、关断和高速数据采集精度是影响测量结果的关键。在本系统中，采用FPGA和数模转换器产生三角波形，对激光电流源LDP-3840B进行调制，使激光输出频率在一小范围内变化，当频率与腔模式谐振时达到腔激发的目的；之后通过快速触发电路中断激光器输出完成激光快速关断。衰荡信号用光电探测器PDA10CS-EC检测，经高速放大调理后输入到具有高采样率、高分辨率的模拟/数字转换器(AD9244)中实现数字化，再转移到FPGA中缓冲、处理并存储到RAM中；用FPGA控制USB2.0接口芯片CY7C68013A将数据传输给计算机，经过软件分析计算得到衰荡时间。
本论文的主要内容包括：
1在介绍腔衰荡光谱原理和相关知识的基础上，讨论了连续波腔衰荡光谱技术的实现方案并阐述了连续波腔衰荡光谱系统的工作原理，简单说明了光学系统中所使用的激光光源等装置的特点；
2设计并实现了用于关断激光输出的快速触发电路，设计了高速AD9244的外围输入输出电路和与FPGA芯片的连接电路。
3详细描述了在FPGA芯片上实现的各个模块，包括激光电流源调制波形的产生模块、信号放大电路的增益控制模块、数据缓冲FIFO、数据存储RAM和USB数据传输接口控制器；
4开发了USB接口芯片的通信程序和计算机应用程序。最后对主要的硬件系统进行实物了测试。
通过硬件测试，整个电子电路系统功能基本实现。触发电路成功判断电压阈值并输出脉冲信号，有效电平的持续时间能够满足要求；FPGA系统成功产生了激光电流源调制波形；ADC+FPGA+RAM的数据采集系统的采集速度能够达到65Mbps的同时基本保持14位的精度，可以完成信号的采集。另外，在测试过程中发现触发电路的触发速度还不够快，数据采集系统采集的信号存在一定的毛刺现象，这些问题需要优化电路设计进行改进。其次，由于实验室条件所限，光学系统需要更多的时间搭建，所以本系统没有能够与光学系统进行联合调试，还需要开展进一步的工作。
连续波腔衰荡光谱;触发电路;高速数据采集;控制系统;吸收光谱检测;数模转换器
中国海洋大学
硕士
光学工程
亓夫军
2012
中文
TN911.7;TP274.2
74
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）