可編程彩色光/頻轉(zhuǎn)換器TCS230及其應(yīng)用
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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，用戶可通過兩個(gè)可編程引腳來選擇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)通過可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇色彩，以此來增加精確度和簡化光學(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表１所列。
表1 TCS230管腳功能
| 引 腳 號 | 符 號 | 類 型 | 功 能 說 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，滿度輸出頻率是指傳感器在沒有飽和時(shí)的最大輸出頻率。
表2 TCS230的電學(xué)特性參數(shù)
| 參 數(shù) | 測 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(shù)
| 參數(shù) | 測試條件 | 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）選擇可通過控制兩個(gè)邏輯輸入Ｓ２ 和Ｓ３來實(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將轉(zhuǎn)換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來實(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?，以開始新的有效周期。這樣一來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。分頻輸出通過選定的分頻系數(shù)來改變滿度頻率和暗頻率。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(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)的場合（如低成本微處理器）或使用周期測量技術(shù)的場合。
４．３ 頻率測量
在設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集速率。采用周期測量技術(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(xù)光源的測量。
使用頻率測量、脈沖計(jì)數(shù)或綜合技術(shù)可獲得最大的分辨率和精度。頻率測量具有更多的優(yōu)點(diǎn)，如對平均隨機(jī)輸出和光信號中的噪聲與電源噪聲導(dǎo)致的高頻變化的測量。分辨率主要受可用計(jì)數(shù)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(xù)的光信息，并且適于讀取超過短周期定時(shí)的平均光信息。綜合技術(shù)用于測量暴露物和出現(xiàn)在超過給定定時(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１２英寸，則建議使用緩沖器或線驅(qū)動(dòng)器。
５ 結(jié)束語
ＴＣＳ２３０使用硅光電二極管來測量光強(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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