基于等精度测频的光信号检测装置和方法

摘要

本发明的基于等精度测频的光信号检测装置，其光转频模块中，光电转换器连接放大器、滤波器后连接压频转换芯片；频率测量模块中，自带一个高级定时器和2~4个通用定时器的单片机外接一个D触发器；频率测量模块分别连接光转频模块和数据显示模块，电源供电模块分别连接光转频模块、频率测量模块和数据显示模块。被测光信号在该装置光转频模块中通过硅光电二极管转成微弱电信号，经放大和滤波处理后输入压频转换芯片转换成频率信号，频率测量模块对光转频模块输出频率信号等精度测频，经运算处理后把数据发送到上位机显示。该装置可对光信号进行准确检测，相对于常用的频率测量法，具有测量误差小的优点，可应用于便携式分光光度计中光信号测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光信号检测，具体是基于等精度测频的光信号检测装置和方法。

背景技术

近年，越来越多的科技工作者致力于研究小型便携的专用光度计，为使仪 器朝着小型化方向发展，便携式光度计中常选用硅光电二极管、压转频芯片将 光信号转为频率信号。因此，如何准确测量频率信号，关系到这些便携式仪器 的准确性。常用的频率测量方法有两种：频率测量法和周期测量法，频率测量 法是在设定时间t内计数被测信号的脉冲数N，因此被测信号F=N/t。周期测量法 是先测量出被测信号的周期T，然后根据频率F=1/T算出被测信号的频率。这两 种方法均会产生±1个被测脉冲的误差，在实际应用中，频率测量法适合于高频 信号测量，而周期测量法适合于低频信号测量，二者不能兼顾高低频率同样精 度的测量要求。

等精度频率测量技术又叫做多周期同步测量技术，设F₀为参考脉冲信号， 由测频系统产生，F_x为待测频率信号。测量时，采用两个计数器分别对待测信 号F_x和参考信号F₀进行同步计数，计数的开始和结束由闸门控制。在测量计数 闸门时间T_x内，若两计数器测得F_x和F₀的对应的脉冲数分别为N_x和N₀，那么 N_x/F_x=N₀/F₀，则F_x=(N_x×F₀)/N₀，其中F₀是已知的参考脉冲信号，因此，读出 计数器寄存器中N₀和N_x值便可计算出F_x。由于测量计数闸门时间T_x是在被测 信号F_x同步下产生的，所以对被测信号的计数N_x将不会产生±1计数误差。当给 定的参考脉冲信号恒定时，等精度测频误差较小，具有测频准确的优点。

发明内容

本发明的目的是提供基于等精度测频的光信号检测装置，以便于将该装置 用于便携式分光光度计中进行光信号检测，实现小型便携并准确测量频率信号。

本发明的基于等精度测频的光信号检测装置，包括含有硅光电二极管、压 频转换芯片的将光信号转为频率信号的光转频模块，以及频率测量模块和数据 显示模块，其技术特征在于：光转频模块中，光电转换器连接放大器、滤波器 后连接压频转换芯片；频率测量模块中，自带一个高级定时器和2～4个通用定 时器的单片机外接一个D触发器；频率测量模块分别连接光转频模块和数据显 示模块，电源供电模块分别连接光转频模块、频率测量模块和数据显示模块。

所述的光转频模块中，光电转换器采用S1226-8BK硅光电二极管，放大器 采用AD795，滤波器采用AD706双通道运算放大器，压频转换芯片采用AD650。

所述的频率测量模块中，单片机采用自带一个高级定时器和3个通用定时 器的STM32，D触发器分别连接STM32的高级定时器和作为基准脉冲计数器的 通用定时器。

所述的电源供电模块中设置MAX743芯片和LM1117-3.3芯片，MAX743 芯片的输出连接光转频模块，LM1117-3.3芯片的输出连接频率测量模块。

所述的数据显示模块选用带有显示装置的上位机或液晶屏。

本发明的的装置中，光转频模块采用响应快、灵敏度高、性能稳定、测量 线性好、噪声低的硅光电二极管S1226-8BK将光信号转为微弱电流信号，经后 续几个运算放大器处理成稳定的直流电压信号，最后用压转频芯片转为频率信 号。硅光电二极管把光信号转换成微弱电流信号I_d，通过AD795进行放大并转 成电压信号V_out，采用AD706双通道运算放大器，一个通道进 行电压跟随以提高带负载能力；另一个通道搭接成压控电压源二阶低通滤波电 路，滤去工频及其他杂波而得到直流信号，最后通过AD650进行压频转换得到 频率信号F_x。

光转频模块采用的AD795是一款低噪声、精密、FET输入运算放大器。它 既具有双极性输入运算放大器的低电压噪声和低失调漂移，又具有FET输入器 件的极低偏置电流。最大输入偏置电流仅2pA，最大失调电压为500uV。AD706 是一款双通道、低功耗、双极性运算放大器，通道一用来实现电压跟随，通道 二用来做二阶压控有源滤波。AD650工作频率高，V/F变换工作频率可达1MHz； 其非线性度低，满度输出频率为100KHz时，非线性度仅0.005%。

本发明的频率测量模块基于STM32的定时器，结合一个D触发器实现等精 度频率测量。STM32F103RBT6芯片具有一个高级定时器（TIM1）和3个通用 定时器（TIM2～TIM4）。

本发明的装置中，使用的AD795及AD706以及AD650的供电电源为±15V。 电源供电模块利用MAX743芯片将笔记本的USB口或手机充电器+5V转化成 ±15V电压供电。STM32芯片所需的+3.3V电压，利用一片LM1117-3.3将USB 口或手机充电器+5V转化为3.3V供电。

为了方便，在本发明中用串口向数据显示模块中的上位机发送数据并直接 用串口调试助手在上位机串口打印。

本发明的另一目的是提供采用基于等精度测频的光信号检测装置进行光信 号检测的方法。该方法包括主要步骤如下：

A.光电转换器连接光信号；

B.把单片机的一个通用定时器配置成PWM输出模式产生基准脉冲F₀；

C.把单片机的另一个通用定时器配置成F₀计数器模式，选中触发的上升沿 作为计数器时钟；

D.把单片机的高级定时器配置成被测信号Fx计数器模式，且被测信号Fx 作为D触发器的时钟信号；

E.高级定时器的进位输出通过取反后接到D触发器的输入，D触发器的输 出端再连到两个计数器的使能端；

F.读取两个计数器寄存器中的计数值，按Fx=(Nx×F₀)/N₀进行运算便可得 出待测频率值Fx；Nx和N₀分别为Fx和F₀的对应的脉冲数。

G.向数据显示模块发送数据，并由数据显示模块显示测量结果。

本发明在步骤B把通用定时器TIM2配置成PWM输出模式产生基准脉冲 F₀，其配置的频率范围可在0～72MHz，为方便计算和数据处理，配置成1MHz 为好。把通用定时器TIM3配置成计数器模式，选中触发(TRGI)的上升沿作为计 数器时钟，即当输入通道引脚上的F₀脉冲来一个上升沿计数值加（或减）一。 高级定时器TIM1的配置方法与TIM3类似，TIM1计数F_x。

被测信号F_x既是TIM1输入信号又作为D触发器的时钟信号，可使闸门开 和关都在F_x的上升沿，保证了TIM1计数F_x脉冲数的精准性。TIM1的进位输 出通过取反后接到D触发器的输入再到定时器的使能端，使TIM1和TIM3既能 同时开启又能同时关闭。整个过程可以这样来表述：最初，TIM1还没有计数前 进位输出Cout为0，取反变为1后传给D触发器的输入端，D触发器输出1使 能两个定时器，把闸门打开，TIM1和TIM3开始计数，待TIM1计满或计到设 定值时便产生进位输出1（或标志位置1），取反后变为0输给D触发器，此时 D触发器输出0失能两个定时器，闸门关闭，TIM1和TIM3结束计数。读取此 时的两计数器寄存器中的计数值，按F_x=(N_x×F₀)/N₀进行运算便可得出待测频 率值F_x。

本发明的装置中，被测光信号通过硅光电二极管S1226-8BK转成微弱电信 号，经放大和滤波处理后输入AD650压频转换芯片转换成频率信号F_x。测频模 块由STM32单片机及其外围电路外加一个D触发器组成，利用STM32自带的 通用定时器TIM2配置成脉宽调制（PWM）输出模式，产生标准方波脉冲F₀， 通用定时器TIM3对F₀进行计数，高级定时器TIM1对待测脉冲F_x进行计数。 采用一个D触发器做门控开关，使TIM1和TIM3同时在F_x的一个（某一个） 上升沿开启，第N_x个上升沿关闭，实现等精度频率测量。经运算处理后，把数 据发送到上位机显示，整个系统需要的+3.3V、+5V、±15V几路电压均由电源供 电模块提供。

附图说明

图1是本发明的光信号检测装置结构框图；

图2是本发明装置中定时器与D触发器连接示意图；

图3是本发明装置测量值与示波器测量值的关系图。

具体实施方式

实施例1

装置

见图1。光转频模块中，光电转换器采用S1226-8BK硅光电二极管，放大 器采用AD795，滤波器采用AD706双通道运算放大器，压频转换芯片采用 AD650。光电转换器连接放大器、滤波器后连接压频转换芯片；频率测量模块 中，自带一个高级定时器和3个通用定时器的STM32单片机（具体为 STM32F103RBT6芯片）外接一个D触发器；频率测量模块分别连接光转频模 块和数据显示模块，电源供电模块分别连接光转频模块、频率测量模块和数据 显示模块。电源供电模块利用MAX743芯片，便于将笔记本的USB口或手机充 电器+5V转化成±15V电压对AD795及AD706以及AD650供电，利用一片 LM1117-3.3便于将USB口或手机充电器+5V转化为3.3V对STM32芯片供电。

本发明把通用定时器TIM2配置成PWM输出模式产生基准脉冲F₀，其频率 配置成1MHz。把通用定时器TIM3配置成计数器模式，选中触发(TRGI)的上升 沿作为计数器时钟，即当输入通道引脚上的F₀脉冲来一个上升沿计数值加（或 减）一。高级定时器TIM1的配置方法与TIM3类似，TIM1计数F_x。

被测信号F_x既是TIM1输入信号又作为D触发器的时钟信号，可使闸门开和 关都在F_x的上升沿，保证了TIM1计数F_x脉冲数的精准性（见图2）。TIM1的 进位输出通过取反后接到D触发器的输入再到定时器的使能端，使TIM1和 TIM3既能同时开启又能同时关闭。整个过程可以这样来表述：最初，TIM1还 没有计数前进位输出Cout为0，取反变为1后传给D触发器的输入端，D触发 器输出1使能两个定时器，把闸门打开，TIM1和TIM3开始计数，待TIM1计 满或计到设定值时便产生进位输出1（或标志位置1），取反后变为0输给D触 发器，此时D触发器输出0失能两个定时器，闸门关闭，TIM1和TIM3结束 计数。读取此时的两计数器寄存器中的计数值，按F_x=(N_x×F₀)/N₀进行运算便 可得出待测频率值F_x。经运算处理后，把数据发送到上位机显示。

实施例2

本发明的装置与示波器测频结果对比

利用STM32单片机上的定时器在1KHz-26MHz范围内产生33个不同频率 的脉冲作为待测信号F_x，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本装置分别对F_x进行侧量，结果如图3所示。图3表明，本系统测量值与示波器测量值呈现很 好的线性关系，线性回归方程的相关系数R值为1，斜率为0.999（约等于1）， 说明本装置对频率信号测得值与示波器测得值完全吻合，可见，采用本装置测 量1KHz-26MHz范围的频率信号是准确的。

实施例3

本发明的装置对光信号的测量

选用中心波长分别为630nm、520nm和390nm的LED光源提供不同波长 的测量光信号，通过滑动串联的变阻器改变接入电路中的阻值改变LED输出光 信号强度。采用光功率值大小表征光信号强度，LED输出光功率利用OPT-1A 功率指示计测量。采用本装置和示波器测定不同光功率的下的光输出信号，光 信号测量结果表表1所示。表1表明，对所测量的3种波长光信号，示波器和 本装置对光信号的测得值均与光信号呈现很好的线性关系，且两者的斜率比非 常接近1.000，说明本装置用于实际光信号的测量，测得的频率信号可线性地反 应光强度大小，且测得值与示波器测得值无显著差异。

表1 不同光信号测量结果

本发明是基于STM32等精度测频原理的一种光信号检测装置和方法。该装 置对1KHz-26MHz范围内的不同频率信号测量，与示波器测得值完全吻合。对 中心波长为630nm、520nm和390nm LED光源发出的光信号为测量得结果与 光功率（强度）成很好的线性关系（相关系数R>0.99）。本发明的装置可对光信 号进行准确检测，相对于常用的频率测量法，具有测量误差小的优点，对提高 便携式分光光度计中光信号测量精度具有极大的应用价值。