光谱仪是一种重要的光学仪器,广泛应用于科学技术的各个领域。传统的光谱仪器结构复杂、体积大,不能做多波长的同时检测,在很多应用领域受到限制。光谱仪器的小型化是其发展的必然趋势。本文提出了一种基于CCD的小型化光谱仪的设计方案。该方案采用CCD作为光谱探测器,基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统设计,有效地减小了仪器体积;针对该方案,用大容量的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)EP1C3T144C8实现了CCD驱动与信号采集系统。在FPGA上采用了SOPC技术,集成了NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,并使用可编程逻辑资源开发了CCD驱动电路、A/D采样控制电路等模块,实现了光谱仪的单芯片控制。完成了小型化光谱仪和计算机的串口通讯,并使用VB开发了光谱采集和分析软件,实现光谱仪的波长定标、光谱数据处理、谱线绘制等功能。最后,对本文的设计进行了模拟实验,实验证明:按照该方案设计小型化光谱仪能够有效减小仪器体积,完成多波长的同时测量。本论文主要做了以下工作:①采用CCD器件、闪耀光栅和两个凹面反射镜设计了一个基于折叠Czerny-Turner结构的小型的色散系统,通过对光学系统结构分析,确定各元件参数之间的关系,确定了小型光谱仪的基本参数。②采用大容量的现场可编程逻辑门阵列EP1C3T144C8设计了一种新型的、集成度高的CCD驱动与信号采集系统。该系统中CCD驱动脉冲时序、AD采样控制时序、数据的采集与存储等功能电路均由FPGA内部的逻辑单元产生,测量结果通过串口传送给计算机。③应用高共模抑制比、高速运算放大器AD8032,采用差分放大形式设计了CCD的视频信号处理电路。④采用Visual Basic 6.0完成了光谱处理软件设计。该软件可以实现同下位机的通讯,同时能够实现光谱仪的波长定标、光谱图的显示、保存、打印等功能。本论文主要有以下几个特点:①采用多通道检测器CCD为光电接收元件,采用平面闪耀光栅作为色散元件,在400～800nm的可见光谱范围内实现快速扫描。测量速度快,获得一幅光谱图的最快时间为5.12ms。②基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统能够大大减小仪器体积,满足仪器小型化设计要求。③在设计数据采集电路时采用了SOPC技术,使用NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,增加系统的集成度,有效地加快了设计进度,减小电路板面积。④在PC机和下位机之间通信时,提出一种针对串口通讯传输较大文件的协议。协议格式简单,容易实现。