可编程彩色光/频转换器TCS230及其应用

摘要：TCS230可编程彩色光／频率转换器是为高分辨率彩色传感器提供PWM数字接口的首款集成器件，该器件在单芯片上集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器。文中详细介绍了TCS230的基本结构、主要性能及应用信息。 关键词：TCS230；光／频率转换器；可编程；彩色传感器 １　概述 ＴＣＳ２３０ 是ＴＡＯＳ公司最新推出的业界首款带数字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／频率转换器，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器，其结构框图如图１所示。ＴＣＳ２３０输出为占空比５０％的方波，且输出频率与光强度成线性关系。该转换器对光响应范围为２５００００～１，典型输出频率范围为２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用户可通过两个可编程引脚来选择１００％、２０％或２％的输出比例因子。ＴＣＳ２３０的输入输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接。通过输出使能端ＯＥ将输出置于高阻状态可使多个器件共享一条微处理器输入线。 ＴＣＳ２３０可编程彩色光／频率转换器将红、绿和蓝滤波器集成在单芯片上，因此无需ＡＤＣ就可实现每彩色信道１０位以上的分辨率。 芯片内含一个交叉连接的 ８%26;#215;８光电二极管阵列，其中每１６个二极管提供一种色彩类型，共有红、蓝、绿和清除全部光信息四种类型，可最大限度地降低入射光幅射的不均匀性。所有同颜色的１６个光电二极管都是并联连接，工作时通过可编程的引脚来动态选择色彩，以此来增加精确度和简化光学电路。该芯片采用８引脚ＳＯＩＣ表面贴封装，适用于色度计的测量应用。 ＴＣＳ２３０的主要特点如下： ●可完成高分辨率的光照度／频率转换； ●色彩和满度输出频率可编程调整； ●可直接与微处理器通讯； ●单电源工作，工作电压范围：２．７Ｖ～５．５Ｖ； ●具备掉电恢复功能； ●５０ｋＨｚ时非线性误差的典型值为０．２％； ●稳定的２００ｐｐｍ／℃的温度系数。 ２ ＴＣＳ２３０的引脚功能 ＴＣＳ２３０的引脚排列如图２所示，各管脚的功能描述见表１所列。 表1 TCS230管脚功能 引 脚 号 符 号 类 型 功 能 说 明 1 S0 I 输出频率分频系数选择输入端 2 S1 I 3 OE I 输入频率使能端。低电平有效 4 GND 　 电源地 5 VDD 　 电源电压 6 OUT O 输出频率（fo） 7 S2 I 光电二极管类型选择输入端 8 S3 I ３ ＴＣＳ２３０的主要参数 ３．１ 电学特性参数 ＴＣＳ２３０在ＴＡ ＝２５℃ＶＤＤ＝５Ｖ条件下的电学特性如表２所列。其中，满度输出频率是指传感器在没有饱和时的最大输出频率。 表2 TCS230的电学特性参数 参 数 测 试 条 件 最 小 典 型 最 大 单 位 VOH高电平输出电压 IOH=-4mA 4 4.5 　 V VOL低电平输出电压 IOL=4mA 　 0.25 0.4 V IIH高电平输入电流 　 　 　 5 μA IIL低电平输入电流 　 　 　 5 μA IDD电源电流 上电模式 　 2 3 mA 掉电模式 　 7 15 μA 温度输出频率 S0=H，S1=H 500 600 　 kHz S0=H，S1=L 100 120 　 kHz S0=L，S1=H 10 12 　 kHz 输出频率的温度系数 λ≤700nm，-25℃≤TA≤70℃ 　 %26;#177;200 　 ppm/℃ KSVS电源电压灵敏度 VDD=5V%26;#177;10% 　 %26;#177;0.5 　 %/V ３．２ 工作特性参数 ＴＣＳ２３０的工作特性参数如表３所列。其中，饱和度是指满度输出频率与光灵敏度之比；照明响应度Ｒｖ可通过发光功率值由光灵敏度计算得出；非线性度定义为输出频率ｆＯ偏离０和满度频率之间直线的程度，可表示为满度频率的百分比。所有测试均采用发光二极管做光源，以小角度入射辐射光进行测量。 表3 TCS230的工作特性参数 参数 测试条件 清除光信息光电二极管S2=H，S3=L 蓝色光电二极管S2=L，S3=H 绿色光电二极管S2=H，S3=H 红色光电二极管S2=L，S3=L 单 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输出频率 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暗频率 Ee=0 　 2 12 　 2 12 　 2 12 　 2 12 Hz Re光灵敏度 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 　 　 光饱和度 λp=470nm 　 1410 　 　 1720 　 　 　 　 　 　 　 μW/cm2 λp=524nm 　 1210 　 　 　 　 　 1780 　 　 　 　 　 λp=565nm 　 1130 　 　 　 　 　 1940 　 　 　 　 　 λp=640nm 　 1040 　 　 　 　 　 　 　 　 1090 　 　 Rv照明响应度 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 　 　 非线性 fo=0～5kHz 　 %26;#177;0.1% 　 　 %26;#177;0.1% 　 　 %26;#177;0.1% 　 　 %26;#177;0.1% 　 %F.S f0=0～50kHz 　 %26;#177;0.2% 　 　 %26;#177;0.2% 　 　 %26;#177;0.2% 　 　 %26;#177;0.2% 　 %F.S f0=0～50kHz 　 %26;#177;0.5% 　 　 %26;#177;0.5% 　 　 %26;#177;0.5% 　 　 %26;#177;0.5% 　 %F.S 掉电恢复 　 　 100 　 　 100 　 　 100 　 　 100 　 μs 输出使能响应时间 　 　 100 　 　 100 　 　 100 　 　 100 　 ns ４　应用设计 ４．１ 光电二极管的选择 光电二极管的类型（蓝色、绿色、红色、清除）选择可通过控制两个逻辑输入Ｓ２ 和Ｓ３来实现，具体方法如表４所列。 表4 光电二极管类型选择 S2 S3 光电二极管类型 L L 红色 L H 蓝色 H L 清除（无滤波器） H H 绿色 表5 输出频率分频比例选择 S0 S1 输出频率分频比例 L L 掉电 L H 2% H L 20% H H 100% ４．２ 输出频率分频设定 输出频率分频比由两个逻辑输入Ｓ０和Ｓ１控制，如表５所列。内部光／频率转换器产生一个固定脉冲宽度的脉冲串。输出频率的分频通过将转换器脉冲串输出连接到一连串的分频器来实现，从而使输出为占空比５０％相应频率值为１００％，２０％和２％的方波。由于输出频率的分频由主内部计数器的计数脉冲来完成，所以最终输出周期为多个主频率周期的平均值。 在任一Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ＯＥ线转换之后，输出分频计数寄存器都将在下一个主频率脉冲出现时被清零。随后在主频率脉冲上输出变为高电平， 以开始新的有效周期。这样一来将缩小输入线上变换之间的时间延迟，并产生新的输出周期。一个输入编程变化或一个光阶变化的响应时间等于一个新的频率周期加１ μｓ。分频输出通过选定的分频系数来改变满度频率和暗频率。传感器对输出频率的分频功能使输出范围在采用多种测量方法时都可达到最佳。采用小分频系数的输出可用于仅需低频计数的场合（如低成本微处理器）或使用周期测量技术的场合。 ４．３ 频率测量 在设计频率测量电路时，接口和测量技术的选择取决于期望的分辨率和数据采集速率。采用周期测量技术可获得最大的数据采集速率。输出数据以两倍输出频率的速率进行采集，对满量程输出可以每毫秒一个数据点的速率进行采集。周期测量要求使用快速参考时钟，此参考时钟带有与其速率直接相关的可用分辨率。对于特定的时钟速率，输出分频可用于提高分辨率，或在光输入改变时使分辨率最大化。周期测量用于快速测量变化的光电平或进行连续光源的测量。 使用频率测量、脉冲计数或综合技术可获得最大的分辨率和精度。频率测量具有更多的优点，如对平均随机输出和光信号中的噪声与电源噪声导致的高频变化的测量。分辨率主要受可用计数寄存器和允许测量时间的限制。频率测量非常适于缓慢变化或连续的光信息，并且适于读取超过短周期定时的平均光信息。综合技术用于测量暴露物和出现在超过给定定时周期区域的光脉冲的数量。 选用ＴＳＣ２３０光／频转换器与微控制器组成的光子计数器电路连接图如图３所示。图中将彩色光／频转换器与微控制器连接在一起，其光电二极管类型（蓝色、绿色、红色、清除）的选择与分频输出则可由微控制器编程设定。 ４．４ 应用中需注意的问题 （１）电源线必须采用０．０１μＦ～０．１μＦ的电容退耦，且电容应尽可能靠近芯片。 （２） 芯片的ＯＥ引脚和ＧＮＤ引脚之间需采用低阻抗连接，以提高抗噪声能力。 （３）芯片的输出设计为短距离驱动标准ＴＴＬ 或ＣＭＯＳ逻辑输入电平。若输出线超过１２英寸，则建议使用缓冲器或线驱动器。 ５　结束语 ＴＣＳ２３０使用硅光电二极管来测量光强，因而具有响应快、重复性和稳定性好等特点，特别适用于彩色打印机、医疗诊断、计算机彩色监视器校正、过程控制以及颜料、纺织品、化装品和印刷材料的配色等应用方面。