基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，包括激光探测器及信号整形电路、频压转换电路、减法器、模拟PID电路、电子开关Ⅱ、控制线Ⅱ、FPGA、D/A转换电路、起始力电路、电子开关Ⅰ、方向可控电路、控制线Ⅰ、控制线Ⅲ、光耦电路、功放电路、音圈马达；本实用新型专利技术通过对频压转换电路中电位器的调整，可微调动镜扫描速度，这样可满足技术指标对速度的要求。FPGA本身在电路设计中有很多其它功能，加上对动镜的控制，是对FPGA的充分利用，减轻了主控CPU的负担，解决了资源浪费和CPU各功能之间的竞争，使系统运行更加可靠，高效。频压转换电路和模拟PID电路的双重运用，使得动镜扫描更加平稳、可靠、均匀。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块
本技术属于光谱分析仪器
，涉及一种傅立叶变换红外光谱仪内部动镜扫描控制模块。
技术介绍
傅立叶变换红外光谱仪的核心是干涉仪，目前干涉仪大多采用传统的迈克尔逊干涉仪或其变形，干涉仪内部主要包括分束器、动镜和定镜，激光和红外光束在干涉仪内部各自形成干涉，动镜的运动造成相干光束的光程差的变化，进而造成探测器探测到的干涉信号的变化，动镜运动速度的均匀性、稳定性、扫描速度可微调性直接影响到干涉仪的技术性能指标。目前，大多数新式迈克尔逊干涉仪多采用CPU芯片加光栅编码器加模拟PID控制器，或CPU为控制芯片的数字PID控制器作为动镜扫描的驱动模块来驱动音圈式直流电机，如果单独用CPU芯片控制模块是一种资源浪费，如果CPU还用于其他控制和数据处理则会造成各功能之间的竞争，造成仪器的不稳定性。本申请中涉及的英文缩写解释如下：1、FPGA:现场可编程门阵列2、PID控制:比例-积分-微分控制3、D/A转换:把数字量转化成模拟量的过程4、CPU：中央处理器
技术实现思路
现在大多数新式迈克尔逊干涉仪的动镜运动速度均匀性、稳定性基本上都能达到设计要求，但是扫描速度不可微调性和
技术介绍
中提到的资源浪费和CPU各功能之间的竞争问题依然存在。为了解决这些问题，技术了一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块。为达到以上目的，本技术采取的技术方案是：一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，包括激光探测器及信号整形电路1、频压转换电路2、减法器3、模拟PID电路4、电子开关Ⅱ5、控制线Ⅱ6、FPGA7、D/A转换电路8、起始力电路9、电子开关Ⅰ10、方向可控电路11、控制线Ⅰ12、控制线Ⅲ13、光耦电路14、功放电路15、音圈马达16；所述FPGA7通过控制线Ⅰ12与电子开关Ⅰ10连接；所述FPGA7通过控制线Ⅱ6与电子开关Ⅱ5连接；所述FPGA7通过控制线Ⅲ13与方向可控电路11连接，所述FPGA7与D/A转换电路8连接，所述D/A转换电路8与减法器3连接，所述D/A转换电路8还与起始力电路9连接，所述起始力电路9与电子开关Ⅰ10连接，所述电子开关Ⅰ10与方向可控电路11连接；所述激光探测器及信号整形电路1与FPGA7连接，所述激光探测器及信号整形电路1还与频压转换电路2连接，所述频压转换电路2与减法器3连接，所述减法器3与模拟PID电路4连接，所述模拟PID电路4与电子开关Ⅱ5连接，所述电子开关Ⅱ5与方向可控电路11连接；所述方向可控电路11与功放电路15连接，所述功放电路15与音圈马达16连接,所述音圈马达16上固定有动镜；所述光耦电路14与FPGA7连接；所述激光探测器及信号整形电路1包括：光电二极管、运算放大器、门电路等电子元件；用于对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路2和FPGA7；所述频压转换电路2包括：频压转换芯片LM331、电位器Ⅰ和阻容元件；用于接收激光探测器及信号整形电路1输出的方波，并将方波进行频压转换，转换为电压，作为动镜扫描控制模块的反馈信号，接在频压转换电路2中芯片LM331参考端脚的电位器Ⅰ可调整频压输出比例；所述FPGA7用于控制所述动镜扫描控制模块的运行；所述FPGA7接收激光探测器及信号整形电路1输出的方波，FPGA7中的计数器用于记录动镜的扫描距离和监测动镜的扫描速度；所述FPGA7还用于输出初始力数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8用于接收FPGA7输出的初始力数字数据，将初始力数字数据转换为初始力模拟信号，输出至起始力电路9，所述起始力电路9包括：运算放大器；用于将初始力模拟信号进行放大，并将放大后的初始力模拟信号通过电子开关Ⅰ10传输至方向可控电路11；所述FPGA7还用于输出匀速数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8用于接收FPGA7输出的匀速数字数据，将匀速数字数据转换为匀速模拟信号，输出至减法器3；所述减法器3包括：运算放大器和电阻；用于将经D/A转换电路8转换出的匀速模拟信号和经频压转换电路2转换后的电压作差；所述模拟PID电路4包括：运算放大器、电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ和阻容元件；电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ可调节PID参数，使得动镜的扫描更加均匀，更加稳定，抗干扰能力更强，通过电子开关Ⅱ5传输至方向可控电路11；所述方向可控电路11包括：电子开关Ⅲ和运算放大器；用于控制电信号方向，所述功放电路15包括：功放元件和阻容元件；用于驱动音圈马达16；所述音圈马达16用于接收功放电路15输出的控制信号，根据电流方向和大小做往复直线运动；所述光耦电路14包括：光耦元件和电阻元件，所述光耦电路14把产生的起始位信号传给FPGA7作为定位信号。所述电子开关Ⅰ10和电子开关Ⅱ5的芯片是ADG433，所述FPGA7的芯片是XC6SLX9。在扫描开始时，所述FPGA7给出初始力数字数据并输出至D/A转换电路转换8，所述D/A转换电路8将初始力数字数据转换为初始力模拟信号并传输至起始力电路9，所述FPGA7通过控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，所述FPGA7通过控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5关闭，所述FPGA7通过控制线Ⅲ13控制方向可控电路11中的电子开关Ⅲ打开，所述初始力模拟信号通过起始力电路9、电子开关Ⅰ10输出至方向可控电路11，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜加速向前运动。所述激光探测器及信号整形电路1探测到的激光干涉方波信号输入到FPGA7，FPGA7通过其内部的计数器，测量出激光干涉方波信号的周期，转化为频率，当其与设定速度频率值相等时，即达到设定速度；所述动镜加速到设定速度时，所述FPGA7输出匀速数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8接收FPGA7输出的匀速数字数据，将匀速数字数据转换为匀速模拟信号，输出至减法器3；所述激光探测器及信号整形电路1对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路2并将方波进行频压转换，将方波转换为电压并输出至减法器3，所述减法器3将匀速模拟信号和经频压转换电路2转换后的电压做差，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10关闭，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5打开，模拟PID电路4工作，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜匀速向前运动。所述激光探测器及信号整形电路1探测到的激光干涉方波信号，输入到FPGA7，FPGA7通过其内部的计数器，测量出激光干涉方波信号数量，当其与设定方波数相等时，即达到设定距离。当所述动镜匀速运动到设定距离时，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5关闭，控制线Ⅲ13控制方向可控电路11中的电子开关Ⅲ关闭，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后用于驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜向后返回。当动镜返回到起始位置，光耦电路14把产生的返回信号传给FPGA7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，包括激光探测器及信号整形电路(1)、频压转换电路(2)、减法器(3)、模拟PID电路(4)、电子开关Ⅱ(5)、控制线Ⅱ(6)、FPGA(7)、D/A转换电路(8)、起始力电路(9)、电子开关Ⅰ(10)、方向可控电路(11)、控制线Ⅰ(12)、控制线Ⅲ(13)、光耦电路(14)、功放电路(15)、音圈马达(16)；所述FPGA(7)通过控制线Ⅰ(12)与电子开关Ⅰ(10)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅱ(6)与电子开关Ⅱ(5)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅲ(13)与方向可控电路(11)连接，所述FPGA(7)与D/A转换电路(8)连接，所述D/A转换电路(8)与减法器(3)连接，所述D/A转换电路(8)还与起始力电路(9)连接，所述起始力电路(9)与电子开关Ⅰ(10)连接，所述电子开关Ⅰ(10)与方向可控电路(11)连接；所述激光探测器及信号整形电路(1)与FPGA(7)连接，所述激光探测器及信号整形电路(1)还与频压转换电路(2)连接，所述频压转换电路(2)与减法器(3)连接，所述减法器(3)与模拟PID电路(4)连接，所述模拟PID电路(4)与电子开关Ⅱ(5)连接，所述电子开关Ⅱ(5)与方向可控电路(11)连接；所述方向可控电路(11)与功放电路(15)连接，所述功放电路(15)与音圈马达(16)连接，所述音圈马达(16)上固定有动镜；所述光耦电路(14)与FPGA(7)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，包括激光探测器及信号整形电路(1)、频压转换电路(2)、减法器(3)、模拟PID电路(4)、电子开关Ⅱ(5)、控制线Ⅱ(6)、FPGA(7)、D/A转换电路(8)、起始力电路(9)、电子开关Ⅰ(10)、方向可控电路(11)、控制线Ⅰ(12)、控制线Ⅲ(13)、光耦电路(14)、功放电路(15)、音圈马达(16)；所述FPGA(7)通过控制线Ⅰ(12)与电子开关Ⅰ(10)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅱ(6)与电子开关Ⅱ(5)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅲ(13)与方向可控电路(11)连接，所述FPGA(7)与D/A转换电路(8)连接，所述D/A转换电路(8)与减法器(3)连接，所述D/A转换电路(8)还与起始力电路(9)连接，所述起始力电路(9)与电子开关Ⅰ(10)连接，所述电子开关Ⅰ(10)与方向可控电路(11)连接；所述激光探测器及信号整形电路(1)与FPGA(7)连接，所述激光探测器及信号整形电路(1)还与频压转换电路(2)连接，所述频压转换电路(2)与减法器(3)连接，所述减法器(3)与模拟PID电路(4)连接，所述模拟PID电路(4)与电子开关Ⅱ(5)连接，所述电子开关Ⅱ(5)与方向可控电路(11)连接；所述方向可控电路(11)与功放电路(15)连接，所述功放电路(15)与音圈马达(16)连接，所述音圈马达(16)上固定有动镜；所述光耦电路(14)与FPGA(7)连接。2.如权利要求1所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述激光探测器及信号整形电路(1)包括：光电二极管、运算放大器、门电路电子元件；用于对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路(2)和FPGA(7)。3.如权利要求2所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述频压转换电路(2)包括：频压转换芯片LM331、电位器Ⅰ和阻容元件；用于接收激光探测器及信号整形电路(1)输出的方波，并将方波进行频压转换，转换为电压，作为动镜扫描控制模块的反馈信号，接在频压转换电路(2)中芯片LM331参考端脚的电位器Ⅰ用于调整频压输出比例。4.如权利要求2所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述FP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志国，王文智，杨海山，王毅，龚蓉晔，高学军，
申请(专利权)人：北京北分瑞利分析仪器集团有限责任公司，
类型：新型
国别省市：北京,11