摘  要： 基于STM32采用等精度測頻方法設計了一種可用于光信號檢測的裝置。該裝置由供電模塊、光轉頻模塊、頻率測量模塊和數據顯示模塊組成，其中，被測光信號在光轉頻模塊中通過硅光電二極管S1226-8BK轉成微弱電信號，經放大和濾波處理后輸入AD650轉換成頻率信號。頻率測量模塊使用ARM Cortex-M3內核STM32F103RBT6作為處理器，結合一個D觸發器，對光轉頻模塊輸出的頻率信號進行等精度測頻，測得的數據發送到上位機顯示。實驗結果表明，本裝置測得的頻率信號均與光功率之間成很好的線性關系，與示波器測量結果亦相吻合，證明了本裝置可對光信號進行準確檢測。相對于常用的頻率測量法，本裝置具有測量誤差小的優點。
關鍵詞： STM32；等精度測頻；光信號

　隨著環境保護呼聲的日益高漲，實時、在線、小型便攜和可用于現場監測是未來環境監測儀器的主流發展方向[1-2]。近年來，越來越多的科技工作者致力于研究小型便攜的專用光度計[3-6]，其中，常選用硅光電二極管、壓轉頻芯片將光信號轉為頻率信號，因此，如何準確測量頻率信號，關系到這些便攜式儀器的準確性。常用的頻率測量方法有頻率測量法和周期測量法[7]兩種。頻率測量法是在設定時間t內計數被測信號的脈沖數N，因此被測信號F=N/t。周期測量法是先測量出被測信號的周期T，然后根據頻率F=1/T算出被測信號的頻率。這兩種方法均會產生±1個被測脈沖的誤差，在實際應用中，頻率測量法適合于高頻信號測量，而周期測量法適合于低頻信號測量，二者不能兼顧高低頻率同樣精度的測量要求[8]。

1 設計與實現
1.1 裝置組成
　本文設計的光信號檢測裝置如圖2所示，包括供電模塊、光轉頻模塊、頻率測量模塊和數據顯示模塊。該裝置中，被測光信號通過硅光電二極管S1226-8BK轉成微弱電信號，經放大和濾波處理后輸入AD650壓頻轉換芯片轉換成頻率信號Fx。測頻模塊由STM32單片機及其外圍電路外加一個D觸發器組成，利用STM32自帶的通用定時器2（TIM2）配置成脈寬調制（PWM）輸出模式，產生標準方波脈沖F0，通用定時器3（TIM3）對F0進行計數，高級定時器1（TIM1）對待測脈沖Fx進行計數。采用一個D觸發器做門控開關，使TIM1和TIM3同時在Fx的某一上升沿開啟，第Nx個上升沿關閉，實現等精度頻率測量。經運算處理后把數據發送到上位機顯示。整個裝置所需的+3.3 V、+5 V、±15 V幾路電壓均由電源模塊提供。

1.2 光轉頻模塊
　通常，在對光信號進行測量時，一般利用光電探測器將光信號轉換為微弱電信號，微弱電信號被放大后通過A/D轉換或者壓頻轉換成數字信號后輸送至單片機進行處理。本裝置采用響應快、靈敏度高、性能穩定、測量線性好、噪聲低的日本濱松集團生產的硅光電二極管S1226-8BK將光信號轉為微弱電流信號，經后續幾個運算放大器處理成穩定的直流電壓信號，最后用壓轉頻芯片轉為頻率信號。光轉頻電路原理圖如圖3所示，硅光電二極管把光信號轉換成微弱電流信號Id，通過AD795進行放大并轉成電壓信號Vout，Vout=IdR1（1+R3/R2），采用AD706雙通道運算放大器，一個通道進行電壓跟隨以提高帶負載能力；另一個通道搭接成壓控電壓源二階低通濾波電路，濾除工頻及其他雜波而得到直流信號，最后通過AD650進行壓頻轉換得到頻率信號Fx。

　光轉頻模塊采用的AD795是一款低噪聲、精密、FET輸入運算放大器。它既具有雙極性輸入運算放大器的低電壓噪聲和低失調漂移，又具有FET輸入器件的極低偏置電流。其最大輸入偏置電流僅2 pA，最大失調電壓為500 μV。AD706是一款雙通道、低功耗、雙極性運算放大器，通道1用來實現電壓跟隨，通道2用來做二階壓控有源濾波。AD650工作頻率高，V/F變換工作頻率可達1 MHz；其非線性度低，滿度輸出頻率為100 kHz時，非線性度僅0.005%。
1.3 頻率測量模塊
　本裝置基于STM32的定時器，結合一個D觸發器實現等精度頻率測量。STM32F103RBT6芯片具有一個高級定時器（TIM1）和3個通用定時器（TIM2~TIM4）。在本設計中，把TIM2配置成PWM輸出模式產生基準脈沖F0，其頻率可在0~72 MHz范圍內配置，本檢測裝置配置成1 MHz。把TIM3配置成計數器模式，選中觸發（TRGI）的上升沿作為計數器時鐘，即當輸入通道引腳上的F0脈沖來一個上升沿計數值加（或減）1。高級定時器TIM1的配置方法與TIM3類似，TIM1計數Fx。
　定時器與D觸發器連接示意圖如圖4所示，被測信號Fx既是TIM1輸入信號又作為D觸發器的時鐘信號，可使閘門開和關都在Fx的上升沿，保證了TIM1計數Fx脈沖數的精準性。TIM1的進位輸出通過取反后接到D觸發器的輸入再到定時器的使能端，使TIM1和TIM3既能同時開啟又能同時關閉。整個過程可以這樣來表述：最初，TIM1計數前，進位輸出Cout為0，取反變為1后傳給D觸發器的輸入端，D觸發器輸出1使能兩個定時器，把閘門打開，TIM1和TIM3開始計數，待TIM1計滿或計到設定值時便產生進位輸出1（或標志位置1），取反后變為0輸給D觸發器，此時，D觸發器輸出0使能兩個定時器，閘門關閉，TIM1和TIM3結束計數。讀取此時的兩計數器寄存器中的計數值，按Fx=（Nx×F0）/N0進行運算便可得出待測頻率值Fx。
　本裝置的測頻軟件流程如圖5所示。

1.4 數據顯示模塊
　為了方便，在本裝置中用串口向上位機發送數據并直接用串口調試助手在上位機串口打印。在實際例子或產品中可改為液晶屏或其他方式顯示。
1.5 電源模塊
　本裝置中使用的AD795、AD706以及AD650的供電電源為±15 V。本裝置利用MAX743芯片將筆記本的USB口+5 V轉化成±15 V電壓供電。原理圖如圖6所示。STM32芯片所需的+3.3 V電壓，利用一片AMS1117-3.3將USB口+5 V轉化為3.3 V供電。

2 實驗驗證
2.1 本裝置與示波器測頻結果對比
　利用STM32單片機上的定時器在1 kHz~26 MHz范圍內產生33個不同頻率的脈沖作為待測信號Fx，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本裝置分別對Fx進行測量，結果如圖7所示。圖7表明，本裝置測量值與示波器測量值呈現出很好的線性關系，線性回歸方程的相關系數R值為1，斜率為0.998 9，說明本裝置對頻率信號測得值與示波器測得值相吻合。可見，采用本裝置測量1 kHz~26 MHz范圍的頻率信號是準確的。

2.2 本裝置對光信號的測量
　為了考察本裝置對光信號測量的準確性，本研究選用中心波長分別為630 nm、520 nm和390 nm的LED光源提供不同波長的測量光信號，通過滑動串聯的變阻器改變接入電路中的阻值改變LED輸出光信號強度。本研究采用光功率值大小表征光信號強度，LED輸出光功率利用OPT-1A功率指示計測量。采用本裝置和示波器測定不同光功率下的光輸出信號，結果如表1所示。表1表明，對所測量的3種波長光信號，示波器和本裝置對光信號的測得值均與光信號呈現出很好的線性關系，且兩者的斜率比非常接近1.0，說明本裝置用于實際光信號的測量，測得的頻率信號可線性地反映光強度大小，且測得值與示波器測得值無顯著差異。

　本文基于STM32等精度測頻原理設計了一種光信號檢測裝置并進行了驗證。該裝置對1 kHz~26 MHz范圍內的不同頻率信號進行測量，與示波器測得值完全吻合。本裝置對中心波長為630 nm、520 nm和390 nm 的LED光源發出的光信號為測量的結果與光功率（強度）成很好的線性關系（相關系數R>0.99）。本裝置可對光信號進行準確檢測，相對于常用的頻率測量法，具有測量誤差小的優點。本文提出的光信號檢測方法有利于提高便攜式光學儀器的測量準確度，在便攜式光學儀器上具有潛在的應用價值。
參考文獻
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