一种用单片机控制的光谱数据采集系统

用光电倍增管对小于10kHz调制频率的慢变化光谱信号的测量，50kHz的采样频率可以满足测量的要求，其采集电路可以适用于各种光电倍增管的输出信号采集。我们选用12MHz的时钟频率，对软件进行优化，其运行的时间为20μs，采样频率为50kHz，可以满足采样的要求。

3.光电倍增管的高压调整

在光电倍增管应用中，高压的稳定性直接影响测量的精度。一般，光电倍增管的倍增级为10级左右，图6所示为倍增管高压与电流增益之间的电流增益之间的倍增关系。从图6可看出电流增益约与阴极-阳极间所加电压的10 6～10 10成比例。所以PMT的输出对工作电压非常敏感，使用时，必须用高稳定性的高压电源。高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度必须优手所要求的光电倍增管稳定度1个数量级。我们选用的是由HAMAMATSU（滨松）公司生产的高压模块，其电压最大漂移量为±0.03

为扩大动态范围，须对光电倍增管的高压进行动态调整。图7是控制电压和控制电阻上相应的输出电压的关系曲线。光电倍增管的专用高压模块通过改变高压模块调整端的电压或电阻，来改变输出端的高压。调整电阻用10kΩ电位器，电压调整范围为0～1.4V。图8所示为滨松公司高压模块的原理框图。

为满足不同的测量要求，需要设置三个量程。一般量程的调整为人工调整电位器，效率较低、精度不好控制。这里我们利用单片机控制可编程数字电位器X9C103来实现调整倍增管高压，图9是X9C103的接线原理图。根据测量输出信号的强弱，相应调整PMT的高压，并将调整的状态通过并口送入计算机。X9C103是一个包含100个电阻单元的电阻阵列。在每个单元之间和任一端都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由片选输入端CS、升/降输入端U/D、增加输入端INC控制。它类似于TTL升/降计数器，总阻值10kΩ、工作时钟250kHz、工作电压+5V，滑动端位置存储于非易失性存储器中，可在上电时重新调用，滑动端位置数据可保存100年。X9C103是固态非易失性电位器，它与机械电位器相比有调节更精确、不受意外影响（振动、污染）、节省空间、易于安装、滑动端位置易于由单片机或逻辑电路控制的优点，是理想的数控微调电位器。三线接口由单片机P0口控制1片74LS374来完成锁存，软件编程实现。

二、应用

为了满足光谱采集的需要，我们设计了相应的信号采集电路，应用单片机控制A/D芯片完成对于两种不同的探测器输出信号的采集。实际应用表明，采集系统的信噪比、采样频率等性能可以满足测量的要求。

1.用于CCD输出信号采集

采用CCD测量光谱大大缩短了测量时间，减少了外界环境对测量精度的影响。对于闪光灯、荧光和磷光等强度随时间变化的光源，采用CCD测量其光谱分析，能得到精确的测量结果。

    单片机在其中要完成的工作是控制CCD时序脉冲的产生和高速A/D采样频率的实现等，其原理框图如图10所示。对于两相线阵CCD，须要在其相关引脚加入适当脉冲才能正常工作，主要有两相时钟脉冲ψA和ψB、转移门ψTG、复位门ψR，并且要输出与CCD输出信号同步的脉冲，作为信号采集