一種光電檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型設及原子頻標領域，特別設及一種光電檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，高精度時間頻率技術的應用越來越廣泛，人們對時鐘 源的時間頻率輸出的特性要求也越來越高。
[0003] 帶調制的光電檢測主要是對各種高精度時鐘率源的長期特性進行評估測量。目前 的光電檢測裝置是由時鐘源本身及外圍復雜的檢測電路組成，存在著精度不高、操作不方 便、體積龐大等問題。 【實用新型內容】
[0004] 為了解決現(xiàn)有技術的問題，本實用新型實施例提供了一種光電檢測裝置。所述技 術方案如下：
[0005] 本實用新型實施例提供了一種光電檢測裝置，所述光電檢測裝置包括頻率轉換模 塊、相位差采集模塊、積分電路、模數(shù)轉換模塊、W及數(shù)據處理模塊，所述頻率轉換模塊與所 述相位差采集模塊連接，所述相位差采集模塊與所述積分電路連接，所述積分電路與所述 模數(shù)轉換模塊連接，所述模數(shù)轉換模塊與所述數(shù)據處理模塊連接。
[0006] 在本實用新型一種可能的實現(xiàn)方式中，所述相位差采集模塊和所述模數(shù)轉換模塊 采用同一個微處理器。
[0007] 可選地，所述微處理器為LPC930系列的單片機。
[000引優(yōu)選地，所述單片機的時鐘輸入端接入外部時鐘信號，所述單片機的Pl.3端接入 被測頻率信號，所述單片機的Pl.4端接入參考時鐘信號，所述單片機的Pl.6端、PO.0端分別 與所述積分電路連接，所述單片機的寫入端、讀取端分別與所述數(shù)據處理模塊連接。
[0009] 在本實用新型另一種可能的實現(xiàn)方式中，所述頻率轉換模塊包括第一走時計數(shù) 器、第一鎖存器、第一直接數(shù)字式頻率合成器DDS，第二走時計數(shù)器、W及第二鎖存器，所述 第一走時計數(shù)器的輸入端接入參考時鐘信號，所述第一鎖存器分別與所述第一走時計數(shù) 器、所述相位差采集模塊連接，所述第一DDS的輸入端接入被測頻率信號，所述第二走時計 數(shù)器分別與所述第一 DDS、所述第二鎖存器連接，所述第一孤S、所述第二鎖存器分別與所述 相位差采集模塊連接。
[0010] 可選地，所述第一DDS的片選信號端口、寫脈沖信號端口、數(shù)據信號端口分別與所 述相位差采集模塊連接。
[0011] 可選地，所述頻率轉換模塊還包括第一隔離放大器和第二隔離放大器，所述第一 隔離放大器的輸入端接入參考時鐘信號，所述第一隔離放大器的輸出端與所述第一走時計 數(shù)器的輸入端連接，所述第二隔離放大器的輸入端接入被測頻率信號，所述第二隔離放大 器的輸出端與所述第一 DDS的輸入端連接。
[0012] 優(yōu)選地，所述頻率轉換模塊還包括第二DDS和濾波器，所述第二DDS分別與所述第 二隔離放大器、所述濾波器、所述相位差采集模塊連接。
[0013] 具體地，所述第二DDS的片選信號端口、寫脈沖信號端口、數(shù)據信號端口分別與所 述相位差采集模塊連接。
[0014] 在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述數(shù)據處理模塊為計算機。
[0015] 本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
[0016] 通過頻率轉換模塊將被測頻率信號轉換為與參考時鐘信號頻率相近的分頻信號， 相位差采集模塊采集分頻信號和參考時鐘信號的瞬時相位差，積分電路對瞬時相位差積分 得到直流電壓，模數(shù)轉換模塊對直流電壓進行模數(shù)轉換得到相位差，數(shù)據處理模塊由相位 差計算得到頻率穩(wěn)定度，檢測精度高，整個過程也不需要人為操作，操作方便，而且整個裝 置體積很小，不存在精度不高、操作不方便、體積龐大等問題。
【附圖說明】

[0017] 為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需 要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實 施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根據運些附圖 獲得其他的附圖。
[0018] 圖1是本實用新型實施例提供的一種光電檢測裝置的結構示意圖；
[0019] 圖2是本實用新型實施例提供的單片機的連接示意圖；
[0020] 圖3是本實用新型實施例提供的單片機中的信號示意圖；
[0021 ]圖4是本實用新型實施例提供的頻率轉換模塊的結構示意圖；
[0022] 圖5是本實用新型實施例提供的第一 DDS的連接示意圖；
[0023] 圖6是本實用新型實施例提供的第一 DDS中的信號圖；
[0024] 圖7是本實用新型實施例提供的第二DDS的連接示意圖；
[0025] 圖8是本實用新型實施例提供的數(shù)據處理模塊中的信號示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新 型實施方式作進一步地詳細描述。
[0027] 實施例
[0028] 本實用新型實施例提供了一種光電檢測裝置，參見圖1，該光電檢測裝置包括頻率 轉換模塊1、相位差采集模塊2、積分電路3、模數(shù)轉換模塊4、W及數(shù)據處理模塊5,頻率轉換 模塊1與相位差采集模塊2連接，相位差采集模塊2與積分電路3連接，積分電路3與模數(shù)轉換 模塊4連接，模數(shù)轉換模塊4與數(shù)據處理模塊5連接。
[0029] 在本實施例中，該光電檢測裝置的工作過程如下：
[0030] 將被測頻率源信號和參考頻率信號分別送至頻率轉換模塊1，頻率轉換模塊1將被 測頻率信號轉換為與參考時鐘信號頻率相近的分頻信號，從而得到兩路頻率相近的方波分 頻信號;然后相位差采集模塊2對兩路信號的相位差W信號上升沿觸發(fā)的處理方式進行采 集，并輸出表征兩路信號相位差的占空比變化的數(shù)字方波信號;積分電路3將數(shù)字方波信號 變成相應的直流電壓;模數(shù)轉換模塊4進行模數(shù)轉換得到相位差，并通過RS232串行通訊接 口將測量數(shù)據傳遞給數(shù)據處理模塊5;數(shù)據處理模塊5經數(shù)據處理后，將測量結果及實時測 量曲線顯示給用戶。
[0031] 在本實施例的一種實現(xiàn)方式中，相位差采集模塊2和模數(shù)轉換模塊4可W采用同一 個微處理器，大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。
[0032] 可選地，微處理器可W為LPC930系列的單片機。同一時鐘頻率下，其速度為標準 80C51器件的6倍，只需要較低的時鐘頻率即可達到同樣的性能，降低了功耗。
[0033] 優(yōu)選地，參見圖2,單片機的時鐘輸入端接入外部時鐘信號，單片機的Pl. 3端接入 被測頻率信號，單片機的Pl.4端接入參考時鐘信號，單片機的Pl.6端、PO.0端分別與積分電 路3連接，單片機的寫入端(Tx)、讀取端(Rx)分別與數(shù)據處理模塊5連接。
[0034] 在實際應用中，參見圖3,對單片機內部的一個16位定時器設置了最小的定時時 間，即將16位定時器的高8位和低8位均設置成OxFF,待下一個CPU執(zhí)行周期到來時，就會申 請定時器溢出中斷，在相應的中斷服務程序中判斷被測頻率信號和參考時鐘信號的上升沿 到來情況。對于參考時鐘信號，當上升沿到來時，設置相位差從Pl.6端輸出，運時積分電路3 就會對積分電壓進行累加;對于被測頻率信號，當上升沿到來時，Pl.6端就會被置為低電 平，運時積分電路的積分電壓就會保持無變化。在16位定時器最小的定時周期內，即在一個 完整的定時器溢出中斷服務程序中，當被測頻率信號、參考時鐘信號上升沿同時到來時，代 表一個完整光電周期的結束，此時將積分電路3積分電壓置0。
[0035] 由此可知，一方面定時器的定時時間要越小越好，對于具體采用的單片機來說，其 相應的外部時鐘輸入信號的頻率和頻率穩(wěn)定度要越高越好，運樣一方面使單片機執(zhí)行一個 機器周期代碼的時間縮短，另一方面當外部輸入時鐘信號的頻率穩(wěn)定度比較高時，對于每 次定時器溢出中斷響應的時間就比較準確，從而可W提高被測頻率信號和參考時鐘信號的 相差采集的分辨率。另一方面通過Pl.6端輸出信號的方波占空比反映兩路信號的相差關 系，當兩路信號相位相差較大時，Pl.6端輸出方波中高電平就會占大多數(shù)，連接到積分電路 的輸入電平端時相應的積分電壓增加就會較快，當兩路信號相位差較小時，Pl.6端輸出方 波中低電平就會占大多數(shù)，連接到積分電路的輸入電平端時相應的積分電壓增加就會較 慢，而當兩路信號相位相差在儀器分辨率范圍內為加寸，就會導致積分電路中總的積分電壓 置0,即完成了一個完整的光電周期。
[0036] 進一步地，經積分電路得到的光電積分電壓送至單片機的PO.0端，單片機片內置 10位精度的模數(shù)轉換器，能夠代表的數(shù)值范圍為0-1023,即數(shù)值0和1023分別代表著0°和 360°相位差，最小分辨率大概為360°/1024 = 0.4°左右，即在實際應用過程中會存在著± 0.4°左右的測量誤差。在實際測量時，通常將參考時鐘信號與被測頻率信號的頻率設置成 相差某一較小的差頻Af后進行相位差的采集與積分電壓處理，單片機通過內置模數(shù)轉換 器采樣積分電路的積分電壓，并將采集得到的結果通過寫入端、讀取端WRS232串行通訊方 式傳送至數(shù)據處理模塊。
[0037] 在本實施例的另一種實現(xiàn)方式中，參見圖4,頻率轉換模塊1可W包括第一走時計 數(shù)器11、第一鎖存器12、第一直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,簡稱 DDS) 13，第二走時計數(shù)器14、W及第二鎖存器15，第一走時計數(shù)器11的輸入端接入參考時鐘 信號，第一鎖存器12分別與第一走時計數(shù)器11、相位差采集模塊2連接，第一 DDS 13的輸入 端接入被測頻率信號，第二走時計數(shù)器14分別與第一孤S 13、第二鎖存器15連接，第一DDS 13、第二鎖存器15分別與相位差采集模塊2連接。
[0038] 在實際應用中，參考時鐘信號被送至第一走時計數(shù)器11，第一走時計數(shù)器11對參 考時鐘信號進行頻率計數(shù)，通過單片機使能第一鎖存器12對第一走時計數(shù)器11的計數(shù)值進 行采樣并鎖存，從而得到參考時鐘信號的頻率。被測頻率信號被送至第一 DDS 13,第一 DDS 13模塊對被測頻率進行1/100分頻處理后得到的分頻信號，第二走時計數(shù)器14對分頻信號 進行頻率計數(shù)，通過單片機使能第二鎖存器15對第二走時計數(shù)器14的計數(shù)值進行采樣并鎖 存，單片機通過對第二鎖存器15計數(shù)數(shù)據讀取并乘100處理后便可得到被測信號的頻率值。
[0039] 需要說明的是，由于采用孤S技術，因此輸出信號與輸入信號具有良好的信噪比。
[0040] 另外，由于DDS內部有2個48位頻率控制寄存器(F0、F1)，對于被測頻率信號，當不 使用DDS內部鎖相環(huán)(陸ase Locked Loop,簡稱化L)倍頻功能時，48位的頻率控制寄存器FO 全填充1時，DDS會有頻率為被測頻率信號的時鐘信號輸出。在實際應用中，為了拓寬裝置對 被測頻率信號的測量范圍，如當參考時鐘信號頻率取lOMHz，而被測信號頻率為上百甚至幾 百赫茲時，就需要對被測頻率信號先作分頻處理，在保證原信號頻率穩(wěn)定度不受影響的前 提下降低被測信號的頻率，如對被測頻率信號作1/100分頻處理，具體可通過單片機將具體 的分頻數(shù)值傳送至孤S實現(xiàn)。具體地，數(shù)值分頻值的計算公式為D = 248 X f/n，其中，D為所需 要計算的具體分頻數(shù)值，fl為被測頻率信號的頻率，f為所需要的分頻信號的頻率，對于f = (l/100)fT障況，分頻數(shù)值D應為248 X 10^2。
[0041 ]具體地，參見圖5,第一DDS 13的片選信號端口（ C S )、寫脈沖信號端口（SCLK)、 數(shù)據信號端口（SDIO)分別與相位差采集模塊2連接。
[0042] 參見圖6,單片機與DDS之間的通訊采用串行通訊的時序進行。當C S為高電平 時，SCLK，SDIO為高阻狀態(tài)。當C S為低電平時，孤S將處于通訊狀態(tài)，此時當單片機對SCLK 輸入一個上升沿脈沖時，將使掛在數(shù)據總線SDIO上的W二進制表示的一位分頻數(shù)值數(shù)據寫 入DDS數(shù)據緩沖區(qū)，直至最終一個二進制分頻率數(shù)值數(shù)據寫入后，通過DDS的內部比較器處 理將會得到所要求的分頻信號輸出。
[0043] 可選地，參見圖4,頻率轉換模塊1還可W包括第一隔離放大器16和第二隔離放大 器17,第一隔離放大器16的輸入端接入參考時鐘信號，第一隔離放大器16的輸出端與第一 走時計數(shù)器11的輸入端連接，第二隔離放大器17的輸入端接入被測頻率信號，第二隔離放 大器17的輸出端與第一 DDS 13的輸入端連接。
[0044] 優(yōu)選地，參見圖4,頻率轉換模塊1還可W包括第二孤S 18和濾波器19,第二孤S 18 分別與第二隔離放大器17、濾波器19、相位差采集模塊2連接。
[0045] 在實際應用中，第二DDS 18的分頻數(shù)值采用如下計算公式：
[0046] Da 化= 248x(f2-AfVfl;
[0047] 其中，fl為通過第二走時計數(shù)器14對被測頻率信號進行采樣計數(shù)得到的具體頻率 值，f2為通過第一走時計數(shù)器11對參考時鐘信號進行采樣計數(shù)得到的具體頻率值，Af是一 個預置的差頻數(shù)值，其大小決定了最終進入相位差采集模塊2的被測頻率信號與參考時鐘 信號之間的頻率差值。
[0048] 第二DDS 18對被測頻率信號按預置分頻數(shù)值化ta分頻處理后，得到所需的信號輸 出至濾波模塊進行低通濾波處理，濾波處理后的信號直接輸出。
[0049] 具體地，參加圖7,第二孤S 18的片選信號端口（ t S )、寫脈沖信號端口（S化K)、 數(shù)據信號端口（SDIO)分別與相位差采集模塊2連接。第二DDS18的端口工作情況與第一DDS 13類似，在此不再詳述。
[0050] 在本實施例的又一種實現(xiàn)方式中，數(shù)據處理模塊5可W為計算機。
[0051] 在實際應用中，參見圖8, W單片機內部集成的模式轉換模塊的精度為10位，采集 時間為IOs為例，計算機接收單片機發(fā)送的積分電壓數(shù)據，取其中的第1個、第360個、第720 個…模數(shù)轉換采樣電壓數(shù)值(假定采集范圍為0~V)，將其轉化為相位值約、仍、…(1) 1，具 體的轉化公式為：
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0055] 其中N為第i個3600秒內所經歷的360°完整的周期個數(shù)，Vi、V2分別為第i-1和i-2個 3600秒時刻所對應的模數(shù)轉換采樣電壓，(61即為所求的第i個3600秒所經歷的總相位值， 則第i個3600秒差頻數(shù)據Af 1計算為：
[0化6]
[0057]有了相應的Afi值，則可W將其代入阿侖方差或哈達碼方差計算公式中計算相應 的頻率穩(wěn)定度：
[0化引
[0059] 阿侖方差公式中，T為采樣時間和采樣周期，表明阿侖方差是無間隙采樣，fk為采 樣時間內相應的頻率值，N為測量次數(shù)。
[0060]
[0061] 哈達碼方差計算公式中，T為取樣時間，yk為每個取樣時間測得的相應頻率值，m為 測量次數(shù)。
[0062] 最后，計算得到的頻率穩(wěn)定度結果顯示給用戶。具體地，對單片機傳送來的積分電 壓數(shù)據，按時域二維圖形顯示整個光電過程的實時測量曲線。
[0063] 本實用新型實施例通過頻率轉換模塊將被測頻率信號轉換為與參考時鐘信號頻 率相近的分頻信號，相位差采集模塊采集分頻信號和參考時鐘信號的瞬時相位差，積分電 路對瞬時相位差積分得到直流電壓，模數(shù)轉換模塊對直流電壓進行模數(shù)轉換得到相位差， 數(shù)據處理模塊由相位差計算得到頻率穩(wěn)定度，檢測精度高，整個過程也不需要人為操作，操 作方便，而且整個裝置體積很小，不存在精度不高、操作不方便、體積龐大等問題。
[0064] 上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0065] W上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用W限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種光電檢測裝置，其特征在于，所述光電檢測裝置包括頻率轉換模塊、相位差采集 模塊、積分電路、模數(shù)轉換模塊、以及數(shù)據處理模塊，所述頻率轉換模塊與所述相位差采集 模塊連接，所述相位差采集模塊與所述積分電路連接，所述積分電路與所述模數(shù)轉換模塊 連接，所述模數(shù)轉換模塊與所述數(shù)據處理模塊連接。2. 根據權利要求1所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述相位差采集模塊和所述模數(shù) 轉換模塊采用同一個微處理器。3. 根據權利要求2所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述微處理器為LPC930系列的單 片機。4. 根據權利要求3所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述單片機的時鐘輸入端接入外 部時鐘信號，所述單片機的P1.3端接入被測頻率信號，所述單片機的P1.4端接入參考時鐘 信號，所述單片機的P1.6端、P0.0端分別與所述積分電路連接，所述單片機的寫入端、讀取 端分別與所述數(shù)據處理模塊連接。5. 根據權利要求1-4任一項所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述頻率轉換模塊包括 第一走時計數(shù)器、第一鎖存器、第一直接數(shù)字式頻率合成器DDS，第二走時計數(shù)器、以及第二 鎖存器，所述第一走時計數(shù)器的輸入端接入參考時鐘信號，所述第一鎖存器分別與所述第 一走時計數(shù)器、所述相位差采集模塊連接，所述第一DDS的輸入端接入被測頻率信號，所述 第二走時計數(shù)器分別與所述第一 DDS、所述第二鎖存器連接，所述第一 DDS、所述第二鎖存器 分別與所述相位差采集模塊連接。6. 根據權利要求5所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述第一DDS的片選信號端口、寫 脈沖信號端口、數(shù)據信號端口分別與所述相位差采集模塊連接。7. 根據權利要求5所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述頻率轉換模塊還包括第一隔 離放大器和第二隔離放大器，所述第一隔離放大器的輸入端接入參考時鐘信號，所述第一 隔離放大器的輸出端與所述第一走時計數(shù)器的輸入端連接，所述第二隔離放大器的輸入端 接入被測頻率信號，所述第二隔離放大器的輸出端與所述第一 DDS的輸入端連接。8. 根據權利要求7所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述頻率轉換模塊還包括第二 DDS和濾波器，所述第二DDS分別與所述第二隔離放大器、所述濾波器、所述相位差采集模塊 連接。9. 根據權利要求8所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述第二DDS的片選信號端口、寫 脈沖信號端口、數(shù)據信號端口分別與所述相位差采集模塊連接。10. 根據權利要求1-4任一項所述的光電檢測裝置，其特征在于，所述數(shù)據處理模塊為 計算機。
【專利摘要】本實用新型公開了一種光電檢測裝置，屬于原子頻標領域。所述光電檢測裝置包括頻率轉換模塊、相位差采集模塊、積分電路、模數(shù)轉換模塊、以及數(shù)據處理模塊，頻率轉換模塊與相位差采集模塊連接，相位差采集模塊與積分電路連接，積分電路與模數(shù)轉換模塊連接，模數(shù)轉換模塊與數(shù)據處理模塊連接。本實用新型通過頻率轉換模塊將被測頻率信號轉換為與參考時鐘信號頻率相近的分頻信號，相位差采集模塊采集分頻信號和參考時鐘信號的瞬時相位差，積分電路對瞬時相位差積分得到直流電壓，模數(shù)轉換模塊對直流電壓進行模數(shù)轉換得到相位差，數(shù)據處理模塊由相位差計算得到頻率穩(wěn)定度，不存在精度不高、操作不方便、體積龐大等問題。
【IPC分類】G01R23/12
【公開號】CN205384320
【申請?zhí)枴緾N201521048842
【發(fā)明人】付云飛, 鄭廣
【申請人】江漢大學
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年12月15日