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電流／頻率轉(zhuǎn)換器。文中詳細介紹了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、綠和藍濾波器集成在單芯片上，因此無需ＡＤＣ就可實現(xiàn)每彩色信道１０位以上的分辨率。芯片內(nèi)含一個交叉連接的 ８８光電二極管陣列，其中每１６個二極管提供一種色彩類型，共有紅、藍、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個光電二極管都是并聯(lián)連接，工作時通過可編程的引腳來動態(tài)選擇色彩，以此來增加精確度和簡化光學電路。該芯片采用８引腳ＳＯＩＣ表面貼封裝，適用于色度計的測量應(yīng)用。
ＴＣＳ２３０的主要特點如下：
●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 電學特性參數(shù)
ＴＣＳ２３０在ＴＡ ＝２５℃?ＶＤＤ＝５Ｖ條件下的電學特性如表２所列。其中，滿度輸出頻率是指傳感器在沒有飽和時的最大輸出頻率。
表2 TCS230的電學特性參數(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)時間 | 100 | 100 | 100 | 100 | ns | |||||||||
４ 應(yīng)用設(shè)計
４．１ 光電二極管的選擇
光電二極管的類型（藍色、綠色、紅色、清除）選擇可通過控制兩個邏輯輸入Ｓ２ 和Ｓ３來實現(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)部計數(shù)器的計數(shù)脈沖來完成，所以最終輸出周期為多個主頻率周期的平均值。
在任一Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ＯＥ線轉(zhuǎn)換之后，輸出分頻計數(shù)寄存器都將在下一個主頻率脈沖出現(xiàn)時被清零。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間延遲，并產(chǎn)生新的輸出周期。一個輸入編程變化或一個光階變化的響應(yīng)時間等于一個新的頻率周期加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都可達到最佳。采用小分頻系數(shù)的輸出可用于僅需低頻計數(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)計頻率測量電路時，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行采集，對滿量程輸出可以每毫秒一個數(shù)據(jù)點的速率進行采集。周期測量要求使用快速參考時鐘，此參考時鐘帶有與其速率直接相關(guān)的可用分辨率。對于特定的時鐘速率，輸出分頻可用于提高分辨率，或在光輸入改變時使分辨率最大化。周期測量用于快速測量變化的光電平或進行連續(xù)光源的測量。
使用頻率測量、脈沖計數(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，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(shù)寄存器和允許測量時間的限制。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)計為短距離驅(qū)動標準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)動器。
５ 結(jié)束語
ＴＣＳ２３０使用硅光電二極管來測量光強，因而具有響應(yīng)快、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等特點，特別適用于彩色打印機、醫(yī)療診斷、計算機彩色監(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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