引 言

光源的频闪测试在军事、工业生产以及日常生活等领域有着重要的作用,例如:通过对弹丸经过激光光幕时引起的光信号变化进行捕捉,可以获取射频武器的射击频率^[1];利用光电编码器对光电信号进行计数可以测量电机转动的速度^[2];通过对照明灯闪烁快慢的测量可以辨别护眼灯的真伪以及质量的好坏等。设计一种低成本、高性能的频闪测试系统对于现实生活有着重要意义。

针对待测对象的特点,本文以AT89C52单片机作为数据处理的核心设计了一种光源闪动频率测试系统,对某型号手机所带的手电筒30 Hz闪动模式进行实际测量,验证了设计的正确性。 1 系统工作原理

光源闪动频率测试系统采用光电检测技术,利用单片机对光电信号进行处理并对测试结果进行实时显示,系统工作原理图如图 1所示。测试系统由待测光源、光电探头、光电转换模块、信号整形模块、电源模块以及数据处理与显示模块六部分组成。光电探头用于捕捉待测光源的闪动信息,光电转换模块则将光信息转换成电信号,信号整形模块对前端输入的电信号进行整形降噪,最终通过单片机处理,利用数码管进行显示。

图 1

Fig. 1

图 1 光源闪动频率测试系统工作原理图 Fig. 1 The diagram of test system for light flashing frequency

系统整体设计包含硬件电路设计和软件设计两部分,光电探头选用大面积PIN光电二极管,用于保证对待测光信号的有效接收;光电转换模块包括光电前置放大和主放大两部分,其器件的选择以及电路的设计应考虑噪声小、灵敏度高且响应速度快等;信号整形模块采用滞回比较器电路,阈值的取值应能够有效滤除外界光源扰动的干扰。

2 硬件电路设计 2.1 光电转换电路

光电转换电路设计的好坏直接关系到系统响应的灵敏度、信号幅值、噪声大小及抗干扰能力强弱等性能参数^[3],是硬件电路设计的核心,其中前置放大电路又是光电转换电路的核心。

图 2

Fig. 2

图 2 前置放大电路原理图 Fig. 2 Preamplifier circuit schematic

前置放大电路用于将光电探头接收到的光信息转换成便于处理的电压信号,其基本工作原理如图 2所示。光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流^[4]。光电二极管有两种工作模式:零偏置的光伏模式和反偏置的光导模式^[5]。光导模式时外加偏压使得耗尽区的宽度增大,响应度增大,结电容变小,但与此同时引进了暗电流,也就引入了输入噪声。光伏模式时光电二极管以精确的线性状态工作,同时也具有较高的切换速度,考虑到系统工作的可靠性和精确性,故选用其光伏模式。光电探头通过反馈电阻R₁与运算放大器连接,当其接收光照发生变化时产生与之对应的光电流变化,通过反馈电阻产生压降,从而实现光到电压的转换。

在实际测试环境中,光电探头接收的不只是待测光源,还包括各种环境光,例如太阳光。为了避免因强烈的环境光影响造成系统饱和,增加系统测试的裕度,在运算放大器的同相输入端添加负直流偏置电压V_CC1。电容C₁与反馈电阻并联构成低通滤波器,其截止频率越小测试系统的输出信噪比越好,但是截止频率过小会使高频闪的待测信号产生饱和失真。电路末端的电容C₂和电阻R₁串联形成高通滤波器,用于滤除包括环境光在内的直流分量。前置放大电路的输入输出关系式为U_o=R₁*Δi,其中R₁为反馈电阻,Δi为光电探头接收到频闪信号,U_o为输出电压。光电探头应优先选择结电容小、内阻大的光电二极管,用于减少温度升高给测试造成的干扰。

前置放大电路输出的是毫伏级的电压,需要通过主放大电路进一步放大以供后续处理。主放大电路基本工作原理如图 3所示,其输入输出关系式为U₂=-(U₁R₄)/R₃。

图 3

Fig. 3

图 3 主放大电路原理图 Fig. 3 Main amplifier circuit schematic

信号整形电路采用滞回电压比较器将输入的模拟电压转换成数字化形式,合理设置上下两个阈值可以有效防止外界噪声的干扰,供单片机电路处理,其工作原理图如图 4所示。R₈为限流电阻,稳压二极管用于限幅产生高低电平,基准电压V_CC2实现阈值电压的水平搬移,R₆与R₇的比例关系直接影响到两阈值电压的差值,即测试系统的抗干扰能力。其关系式如下:

图 4

Fig. 4

图 4 滞回比较器原理图 Fig. 4 Hysteretic comparator schematic

其中,U_T2和U_T1为阈值的上限和下限,U_Z为稳压二极管的稳定电压。当输入电压U_i上升至大于上限阈值电压时输出U_o变为低电平,当输入电压U_i下降至小于下限阈值电压时输出U_o变为高电平。 2.3 数据处理与显示电路

数据处理与显示电路^[6]由AT89C52单片机最小系统、译码器74HC138、锁存器74HC573以及数码管组成,其原理框图如图 5所示。单片机的外部中断引脚P3.2口用于对信号整形电路输出的方波信号进行检测,从而获取光源闪动次数,通过定时器中断计时来计算闪动频率,利用P0口向锁存器输出段选信号,利用P2.0、P2.1和P2.2向译码器输出位选信号。

图 5

Fig. 5

图 5 数据处理与显示电路原理图 Fig. 5 Data processing and display circuit schematic

测试系统的程序编写采用C语言模块化设计,编程效率高且可读性强^[7],其主程序流程图以及中断处理子程序流程图如图 6所示。

图 6

Fig. 6

图 6 主程序及外部中断子程序流程图 Fig. 6 The main program and external interrupt subroutine flowchart

系统复位之后进入主程序初始化,主要工作为设置定时器0工作方式、装定时器初值、关闭定时中断、设置外部中断0触发方式,开外部中断等。测试之前令数码管显示“ ”,表明处于待测试状态,初始化完成之后进入循环显示。

系统通过P3.2口即外部中断0触发输入端对信号进行检测,光源每闪动一次产生的下降沿用于触发外部中断,利用闪动次数加1对其闪动计数。当第一个闪动信号到来时开启定时中断,定时未完成直接返回,定时完成则利用闪动次数与定时时间的比例计算闪频。

4 实测数据

利用该设计系统对某型号手机所带的手电筒30 Hz闪动模式进行10次实际测量,结果平均为1 782次/min,最大值1 783次/min,最小值1 781次/min。手电筒闪动次数测量值与手机实际标称值基本相符。该设计系统对信号发生器产生的30 Hz方波进行测量,结果平均为1 800次/min。