光谱分析技术是运用光学、电子学及计算机科学对物质的结构及成分进行定性或定量分析的一门技术，在各个领域都有广泛应用。近年来，在军工、科学研究、野外地质勘探、生物医学、环境监测等领域对光谱仪器的体积、重量、结构、性能等提出了越来越高的要求，微小型化是光谱仪器的发展方向。本文首先分析了光谱仪器的工作原理、组成结构及性能指标，选用非对称的车尔尼——特纳(Czerny-Turner)光路结构设计光学系统，确定了各光学元件的结构参数，并用ZEMAX进行了光路的模拟仿真，优化了光学结构及参数。然后提出了一套基于现场可编程门阵列(FPGA）的电荷耦合元件(CCD)光积分时间大范围实时自调节光谱数据采集系统的设计方案，光积分时间调节范围在10us以上，最小调节精度达0.25us。针对光谱测量的特性需要，选用东芝公司的TCD1304AP线阵CCD探测器进行光电信号采集，其响应波长范围为200~1100nm；CCD输出的模拟信号经过预处理后，由12位模拟/数字(A/D)转换器ADS803E转换成数字信号，再通过“软”FIFO完成高低速率匹配转换后，经过高速的通用串行总线(USB)通信接口传给上位机。利用FPGA实现了主控软件、CCD驱动时序及A/D同步时钟、“软”FIFO和USB通信控制状态机等逻辑软件部分，使用Keil设计了CY7C68013的USB固件程序。最后搭建了一套光谱测量实验样机，并对其波长标定和光谱响应不均匀性校正进行了分析，利用自然光、LED进行了光谱实验测试分析，为微小型光谱仪器的产品化研发提供了实验验证基础。