可編程彩色光/頻轉(zhuǎn)換器TCS230及其應(yīng)用
摘要:TCS230可編程彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器是為高分辨率彩色傳感器提供PWM數(shù)字接口的首款集成器件,該器件在單芯片上集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器。文中詳細(xì)介紹了TCS230的基本結(jié)構(gòu)、主要性能及應(yīng)用信息。
關(guān)鍵詞:TCS230;光/頻率轉(zhuǎn)換器;可編程;彩色傳感器
1 概述
TCS230 是TAOS公司最新推出的業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的RGB彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器,它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。TCS230輸出為占空比50%的方波,且輸出頻率與光強(qiáng)度成線性關(guān)系。該轉(zhuǎn)換器對(duì)光響應(yīng)范圍為250?000~1,典型輸出頻率范圍為2Hz~500kHz,用戶可通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100%、20%或2%的輸出比例因子。TCS230的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接。通過(guò)輸出使能端OE將輸出置于高阻狀態(tài)可使多個(gè)器件共享一條微處理器輸入線。
TCS230可編程彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器將紅、綠和藍(lán)濾波器集成在單芯片上,因此無(wú)需ADC就可實(shí)現(xiàn)每彩色信道10位以上的分辨率。芯片內(nèi)含一個(gè)交叉連接的 88光電二極管陣列,其中每16個(gè)二極管提供一種色彩類型,共有紅、藍(lán)、綠和清除全部光信息四種類型,可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有同顏色的16個(gè)光電二極管都是并聯(lián)連接,工作時(shí)通過(guò)可編程的引腳來(lái)動(dòng)態(tài)選擇色彩,以此來(lái)增加精確度和簡(jiǎn)化光學(xué)電路。該芯片采用8引腳SOIC表面貼封裝,適用于色度計(jì)的測(cè)量應(yīng)用。
TCS230的主要特點(diǎn)如下:
●可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換;
●色彩和滿度輸出頻率可編程調(diào)整;
●可直接與微處理器通訊;
●單電源工作,工作電壓范圍:2.7V~5.5V;
●具備掉電恢復(fù)功能;
●50kHz時(shí)非線性誤差的典型值為0.2%;
●穩(wěn)定的200ppm/℃的溫度系數(shù)。
2 TCS230的引腳功能
TCS230的引腳排列如圖2所示,各管腳的功能描述見(jiàn)表1所列。
表1 TCS230管腳功能
引 腳 號(hào) | 符 號(hào) | 類 型 | 功 能 說(shuō) 明 |
1 | S0 | I | 輸出頻率分頻系數(shù)選擇輸入端 |
2 | S1 | I | |
3 | OE | I | 輸入頻率使能端。低電平有效 |
4 | GND | 電源地 | |
5 | VDD | 電源電壓 | |
6 | OUT | O | 輸出頻率(fo) |
7 | S2 | I | 光電二極管類型選擇輸入端 |
8 | S3 | I |
3 TCS230的主要參數(shù)
3.1 電學(xué)特性參數(shù)
TCS230在TA =25℃?VDD=5V條件下的電學(xué)特性如表2所列。其中,滿度輸出頻率是指?jìng)鞲衅髟跊](méi)有飽和時(shí)的最大輸出頻率。
表2 TCS230的電學(xué)特性參數(shù)
參 數(shù) | 測(cè) 試 條 件 | 最 小 | 典 型 | 最 大 | 單 位 |
VOH高電平輸出電壓 | IOH=-4mA | 4 | 4.5 | V | |
VOL低電平輸出電壓 | IOL=4mA | 0.25 | 0.4 | V | |
IIH高電平輸入電流 | 5 | μA | |||
IIL低電平輸入電流 | 5 | μA | |||
IDD電源電流 | 上電模式 | 2 | 3 | mA | |
掉電模式 | 7 | 15 | μA | ||
溫度輸出頻率 | S0=H,S1=H | 500 | 600 | kHz | |
S0=H,S1=L | 100 | 120 | kHz | ||
S0=L,S1=H | 10 | 12 | kHz | ||
輸出頻率的溫度系數(shù) | λ≤700nm,-25℃≤TA≤70℃ | 200 | ppm/℃ | ||
KSVS電源電壓靈敏度 | VDD=5V10% | 0.5 | %/V |
3.2 工作特性參數(shù)
TCS230的工作特性參數(shù)如表3所列。其中,飽和度是指滿度輸出頻率與光靈敏度之比;照明響應(yīng)度Rv可通過(guò)發(fā)光功率值由光靈敏度計(jì)算得出;非線性度定義為輸出頻率fO偏離0和滿度頻率之間直線的程度,可表示為滿度頻率的百分比。所有測(cè)試均采用發(fā)光二極管做光源,以小角度入射輻射光進(jìn)行測(cè)量。
表3 TCS230的工作特性參數(shù)
參數(shù) | 測(cè)試條件 | 清除光信息光電二極管S2=H,S3=L | 藍(lán)色光電二極管S2=L,S3=H | 綠色光電二極管S2=H,S3=H | 紅色光電二極管S2=L,S3=L | 單 位 | ||||||||
最小 | 典型 | 最大 | 最小 | 典型 | 最大 | 最小 | 典型 | 最大 | 最小 | 典型 | 最大 | |||
fo輸出頻率 | Ee=47.2μW/cm2 λp=470nm | 16 | 20 | 24 | 11.2 | 16.4 | 21.6 | kHz | ||||||
Ee=40.4μW/cm2 λp=524nm | 16 | 20 | 24 | 8 | 13.6 | 19.2 | kHz | |||||||
Ee=36.6μW/cm2 λp=640nm | 16 | 20 | 24 | 14 | 19 | 24 | kHz | |||||||
fD暗頻率 | Ee=0 | 2 | 12 | 2 | 12 | 2 | 12 | 2 | 12 | Hz | ||||
Re光靈敏度 | λp=470nm | 424 | 348 | 81 | 26 | Hz/ (μW/ cm2) | ||||||||
λp=524nm | 495 | 163 | 337 | 35 | ||||||||||
λp=565nm | 532 | 37 | 309 | 91 | ||||||||||
λp=640nm | 578 | 17 | 29 | 550 | ||||||||||
光飽和度 | λp=470nm | 1410 | 1720 | μW/cm2 | ||||||||||
λp=524nm | 1210 | 1780 | ||||||||||||
λp=565nm | 1130 | 1940 | ||||||||||||
λp=640nm | 1040 | 1090 | ||||||||||||
Rv照明響應(yīng)度 | λp=470nm | 565 | 464 | 108 | 35 | Hz/lx | ||||||||
λp=524nm | 95 | 31 | 65 | 7 | ||||||||||
λp=565nm | 89 | 6 | 52 | 15 | ||||||||||
λp=640nm | 373 | 11 | 19 | 355 | ||||||||||
非線性 | fo=0~5kHz | 0.1% | 0.1% | 0.1% | 0.1% | %F.S | ||||||||
f0=0~50kHz | 0.2% | 0.2% | 0.2% | 0.2% | %F.S | |||||||||
f0=0~50kHz | 0.5% | 0.5% | 0.5% | 0.5% | %F.S | |||||||||
掉電恢復(fù) | 100 | 100 | 100 | 100 | μs | |||||||||
輸出使能響應(yīng)時(shí)間 | 100 | 100 | 100 | 100 | ns |
4 應(yīng)用設(shè)計(jì)
4.1 光電二極管的選擇
光電二極管的類型(藍(lán)色、綠色、紅色、清除)選擇可通過(guò)控制兩個(gè)邏輯輸入S2 和S3來(lái)實(shí)現(xiàn),具體方法如表4所列。
表4 光電二極管類型選擇
S2 | S3 | 光電二極管類型 |
L | L | 紅色 |
L | H | 藍(lán)色 |
H | L | 清除(無(wú)濾波器) |
H | H | 綠色 |
表5 輸出頻率分頻比例選擇
S0 | S1 | 輸出頻率分頻比例 |
L | L | 掉電 |
L | H | 2% |
H | L | 20% |
H | H | 100% |
4.2 輸出頻率分頻設(shè)定
輸出頻率分頻比由兩個(gè)邏輯輸入S0和S1控制,如表5所列。內(nèi)部光/頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)固定脈沖寬度的脈沖串。輸出頻率的分頻通過(guò)將轉(zhuǎn)換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn),從而使輸出為占空比50%?相應(yīng)頻率值為100%,20%和2%的方波。由于輸出頻率的分頻由主內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖來(lái)完成,所以最終輸出周期為多個(gè)主頻率周期的平均值。
在任一S0、S1、S2、S3和OE線轉(zhuǎn)換之后,輸出分頻計(jì)數(shù)寄存器都將在下一個(gè)主頻率脈沖出現(xiàn)時(shí)被清零。隨后在主頻率脈沖上輸出變?yōu)楦唠娖?,以開(kāi)始新的有效周期。這樣一來(lái)將縮小輸入線上變換之間的時(shí)間延遲,并產(chǎn)生新的輸出周期。一個(gè)輸入編程變化或一個(gè)光階變化的響應(yīng)時(shí)間等于一個(gè)新的頻率周期加1 μs。分頻輸出通過(guò)選定的分頻系數(shù)來(lái)改變滿度頻率和暗頻率。傳感器對(duì)輸出頻率的分頻功能使輸出范圍在采用多種測(cè)量方法時(shí)都可達(dá)到最佳。采用小分頻系數(shù)的輸出可用于僅需低頻計(jì)數(shù)的場(chǎng)合(如低成本微處理器)或使用周期測(cè)量技術(shù)的場(chǎng)合。
4.3 頻率測(cè)量
在設(shè)計(jì)頻率測(cè)量電路時(shí),接口和測(cè)量技術(shù)的選擇取決于期望的分辨率和數(shù)據(jù)采集速率。采用周期測(cè)量技術(shù)可獲得最大的數(shù)據(jù)采集速率。輸出數(shù)據(jù)以兩倍輸出頻率的速率進(jìn)行采集,對(duì)滿量程輸出可以每毫秒一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的速率進(jìn)行采集。周期測(cè)量要求使用快速參考時(shí)鐘,此參考時(shí)鐘帶有與其速率直接相關(guān)的可用分辨率。對(duì)于特定的時(shí)鐘速率,輸出分頻可用于提高分辨率,或在光輸入改變時(shí)使分辨率最大化。周期測(cè)量用于快速測(cè)量變化的光電平或進(jìn)行連續(xù)光源的測(cè)量。
使用頻率測(cè)量、脈沖計(jì)數(shù)或綜合技術(shù)可獲得最大的分辨率和精度。頻率測(cè)量具有更多的優(yōu)點(diǎn),如對(duì)平均隨機(jī)輸出和光信號(hào)中的噪聲與電源噪聲導(dǎo)致的高頻變化的測(cè)量。分辨率主要受可用計(jì)數(shù)寄存器和允許測(cè)量時(shí)間的限制。頻率測(cè)量非常適于緩慢變化或連續(xù)的光信息,并且適于讀取超過(guò)短周期定時(shí)的平均光信息。綜合技術(shù)用于測(cè)量暴露物和出現(xiàn)在超過(guò)給定定時(shí)周期區(qū)域的光脈沖的數(shù)量。
選用TSC230光/頻轉(zhuǎn)換器與微控制器組成的光子計(jì)數(shù)器電路連接圖如圖3所示。圖中將彩色光/頻轉(zhuǎn)換器與微控制器連接在一起,其光電二極管類型(藍(lán)色、綠色、紅色、清除)的選擇與分頻輸出則可由微控制器編程設(shè)定。
4.4 應(yīng)用中需注意的問(wèn)題
(1)電源線必須采用0.01μF~0.1μF的電容退耦,且電容應(yīng)盡可能靠近芯片。
(2) 芯片的OE引腳和GND引腳之間需采用低阻抗連接,以提高抗噪聲能力。
(3)芯片的輸出設(shè)計(jì)為短距離驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)TTL 或CMOS邏輯輸入電平。若輸出線超過(guò)12英寸,則建議使用緩沖器或線驅(qū)動(dòng)器。
5 結(jié)束語(yǔ)
TCS230使用硅光電二極管來(lái)測(cè)量光強(qiáng),因而具有響應(yīng)快、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn),特別適用于彩色打印機(jī)、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校正、過(guò)程控制以及顏料、紡織品、化裝品和印刷材料的配色等應(yīng)用方面。
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