可編程彩色光/頻轉換器TCS230及其應用

摘要：TCS230可編程彩色光／頻率轉換器是為高分辨率彩色傳感器提供PWM數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／頻率轉換器。文中詳細介紹了TCS230的基本結構、主要性能及應用信息。

關(guān)鍵詞：TCS230；光／頻率轉換器；可編程；彩色傳感器

１　概述

ＴＣＳ２３０ 是ＴＡＯＳ公司最新推出的業(yè)界首款帶數字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／頻率轉換器，它內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流／頻率轉換器，其結構框圖如圖１所示。ＴＣＳ２３０輸出為占空比５０％的方波，且輸出頻率與光強度成線(xiàn)性關(guān)系。該轉換器對光響應范圍為２５０?０００～１，典型輸出頻率范圍為２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用戶(hù)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(xiàn)。

ＴＣＳ２３０可編程彩色光／頻率轉換器將紅、綠和藍濾波器集成在單芯片上，因此無(wú)需ＡＤＣ就可實(shí)現每彩色信道１０位以上的分辨率。芯片內含一個(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(lèi)型，共有紅、藍、綠和清除全部光信息四種類(lèi)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，適用于色度計的測量應用。

ＴＣＳ２３０的主要特點(diǎn)如下：

●可完成高分辨率的光照度／頻率轉換；

●色彩和滿(mǎn)度輸出頻率可編程調整；

●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；

●具備掉電恢復功能；

●５０ｋＨｚ時(shí)非線(xiàn)性誤差的典型值為０．２％；

●穩定的２００ｐｐｍ／℃的溫度系數。

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

３ ＴＣＳ２３０的主要參數

３．１ 電學(xué)特性參數

ＴＣＳ２３０在ＴＡ ＝２５℃?ＶＤＤ＝５Ｖ條件下的電學(xué)特性如表２所列。其中，滿(mǎn)度輸出頻率是指傳感器在沒(méi)有飽和時(shí)的最大輸出頻率。

表2 TCS230的電學(xué)特性參數

３．２ 工作特性參數

ＴＣＳ２３０的工作特性參數如表３所列。其中，飽和度是指滿(mǎn)度輸出頻率與光靈敏度之比；照明響應度Ｒｖ可通過(guò)發(fā)光功率值由光靈敏度計算得出；非線(xiàn)性度定義為輸出頻率ｆＯ偏離０和滿(mǎn)度頻率之間直線(xiàn)的程度，可表示為滿(mǎn)度頻率的百分比。所有測試均采用發(fā)光二極管做光源，以小角度入射輻射光進(jìn)行測量。

表3 TCS230的工作特性參數

４　應用設計

４．１ 光電二極管的選擇

光電二極管的類(lèi)型（藍色、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，具體方法如表４所列。

表4 光電二極管類(lèi)型選擇

表5 輸出頻率分頻比例選擇

４．２ 輸出頻率分頻設定

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。內部光／頻率轉換器產(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)將轉換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來(lái)實(shí)現，從而使輸出為占空比５０％?相應頻率值為１００％，２０％和２％的方波。由于輸出頻率的分頻由主內部計數器的計數脈沖來(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(xiàn)轉換之后，輸出分頻計數寄存器都將在下一個(gè)主頻率脈沖出現時(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(xiàn)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)選定的分頻系數來(lái)改變滿(mǎn)度頻率和暗頻率。傳感器對輸出頻率的分頻功能使輸出范圍在采用多種測量方法時(shí)都可達到最佳。采用小分頻系數的輸出可用于僅需低頻計數的場(chǎng)合（如低成本微處理器）或使用周期測量技術(shù)的場(chǎng)合。

４．３ 頻率測量

在設計頻率測量電路時(shí)，接口和測量技術(shù)的選擇取決于期望的分辨率和數據采集速率。采用周期測量技術(shù)可獲得最大的數據采集速率。輸出數據以?xún)杀遁敵鲱l率的速率進(jìn)行采集，對滿(mǎn)量程輸出可以每毫秒一個(gè)數據點(diǎn)的速率進(jìn)行采集。周期測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。周期測量用于快速測量變化的光電平或進(jìn)行連續光源的測量。

使用頻率測量、脈沖計數或綜合技術(shù)可獲得最大的分辨率和精度。頻率測量具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如對平均隨機輸出和光信號中的噪聲與電源噪聲導致的高頻變化的測量。分辨率主要受可用計數寄存器和允許測量時(shí)間的限制。頻率測量非常適于緩慢變化或連續的光信息，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)用于測量暴露物和出現在超過(guò)給定定時(shí)周期區域的光脈沖的數量。

選用ＴＳＣ２３０光／頻轉換器與微控制器組成的光子計數器電路連接圖如圖３所示。圖中將彩色光／頻轉換器與微控制器連接在一起，其光電二極管類(lèi)型（藍色、綠色、紅色、清除）的選擇與分頻輸出則可由微控制器編程設定。

４．４ 應用中需注意的問(wèn)題

（１）電源線(xiàn)必須采用０．０１μＦ～０．１μＦ的電容退耦，且電容應盡可能靠近芯片。

（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）芯片的輸出設計為短距離驅動(dòng)標準ＴＴＬ 或ＣＭＯＳ邏輯輸入電平。若輸出線(xiàn)超過(guò)１２英寸，則建議使用緩沖器或線(xiàn)驅動(dòng)器。

５　結束語(yǔ)

ＴＣＳ２３０使用硅光電二極管來(lái)測量光強，因而具有響應快、重復性和穩定性好等特點(diǎn)，特別適用于彩色打印機、醫療診斷、計算機彩色監視器校正、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用方面。