可編程光頻轉(zhuǎn)換器TSL230R及其應用

1、可編程光/頻轉(zhuǎn)換器TSL230R及其應用1. 概述TSL230R系列（TSL230R、TSL230AR、TSL230BR ）是TAOS公司新近推出的智能傳感器，它在內(nèi)部集成了一個可配置的硅光電二極管和一個電流/頻率轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其輸出是頻率正比例于光照度的脈沖串或方波（占空比為50%）。傳感器的靈敏度有3個可選擇的級別，靠兩個邏輯輸入端來控制。它的滿量程輸出頻率為1/4量程時最穩(wěn)定。TSL230R所有的輸入和輸出電平都兼容TTL電平，可通過編程和輸出接口直接與微處理器通信。芯片的輸出使能端將輸出置于高阻狀態(tài)以使多個器件可共享一條微處理器輸入線。TSL230R的轉(zhuǎn)換頻率誤差為

2、77;20（對于TSL230A是±10，對于TSL230B是±5），其感光波長為300700nm，光譜響應范圍為3201050nm，使用溫度范圍570。該芯片采有8引腳SOIC封裝和PDIP封裝，可直接對可見光進行頻率轉(zhuǎn)換，特別適用于頻率計數(shù)器、脈沖累加器及高速定時器。TSL230R的主要特點如下：無需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換靈敏度和滿量程輸出頻率可編程調(diào)整可直接與微處理器通訊單電源工作，工作電壓范圍：2.7 V 5.5 V，具備掉電功能絕對輸出頻率容限為±20100kHz時非線性誤差典型值為0.2%穩(wěn)定的150 ppm/°C的溫度系數(shù)

3、可替換TSL230（TSL230AR替換TSL230A，TSL230BR替換TSL230B）圖1 TSL230R結(jié)構(gòu)框圖2. TSL230R的引腳及其功能描述TSL230R的引腳排列如圖2所示，管腳功能描述見表1。圖2 TSL230R的引腳排列表1 TSL230R管腳功能引腳號符號類型功能說明1S0I靈敏度選擇輸入端2S1I3I輸出頻率使能端。低電平有效4GND電源地5VDD電源電壓6OUTO輸出頻率（fo）7S2I輸出頻率分頻系數(shù)選擇輸入端8S3I3. TSL230R的電學特性及工作特性3.1 電學特性TSL230R系列在TA = 25°C, VDD = 5 V條件下的電學特性如表

4、2所示。其中，滿量程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)測試條件最小 典型 最大單位VOH 高電平輸出電壓IOH = -4 mA VVOL 低電平輸出電壓IOL = 4 mA VIIH 高電平輸入電流 5 mAIIL 低電平輸入電流 5 mAIDD 電源電流上電模式 2 3 mA掉電模式 5 12 mA 1.1 MHz輸出頻率的溫度系數(shù)l 700 nm ±150ppm/°CKSVS 電源電壓靈敏度VDD = 5 V ±10% ±%/V3.2 工作特性TSL230R系列的工作特性如表3所示。其中，非線性度定義為輸出

5、頻率fO偏離0和滿量程頻率之間直線的程度，可表示為滿度頻率的百分比；非線性度的測試條件為S0=S1=H，S2=S3=L；主頻率指內(nèi)部晶振頻率。表3 TSL230R（TSL230AR 、TSL230BR）的工作特性參數(shù)測試條件TSL230R最小 典型 最大TSL230R最小 典型 最大TSL230R最小 典型 最大單位FO 輸出頻率S0=S1=H，S2=S3=L80 100 12090 100 11095 100 105kHzS1=H，S0=S2=S3=L8 10 129 10 11kHzS0=H，S1=S2=S3=LkHzS0=S1=S2=H，S3=L40 50 6045 50 55kHzS0

6、=S1=S3=H，S2=L8 10 129 10 11kHzS0=S1=S2=S3=HkHzEe=0，S0=S1=HS2=S3=L 0.4 10 0.4 10 0.4 10HzRe 光靈敏度S0=S1=HS2=S3=LkHz/(mW/cm²)Tw 輸出脈沖持續(xù)時間S2=S3=L125 600125 600125 600nsS2或S3= H 1/2 fO 1/2 fO 1/2 fOs非線性fO=010 kHz±% ±%±%fO=0100 kHz±0.2%±0.2%±0.2%fO=01MHz±0.5%±0.5

7、%±0.5%掉電恢復 100 100 100m s滿量程單步輸出響應一個新頻率脈沖+1m s編程變化響應時間新主頻率的2個周期+1m s輸出使能響應時間 50 100 50 100 50 100ns4. TSL230R的編程設定靈敏度設定和調(diào)整傳感器使用電子虹膜技術控制其有效的通光口徑，以達到調(diào)整靈敏度的目的。傳感器的靈敏度有3種級別：1×、10×和100×，靠兩個邏輯輸入端S0 和S1來控制，其對應情況如表4所示。靈敏度可編程調(diào)整使得在滿量程輸出頻率范圍內(nèi)，對于任意給定的光強度級別，傳感器的響應都能達到最優(yōu)化。改變靈敏度實際上也是按照同樣的比例改變光電

8、二極管的有效感光面積。 表4 靈敏度設定S2S3靈敏度LL掉電LH1×HL10×HH100×4.2 輸出頻率分頻系數(shù)設定輸出頻率分頻由兩個邏輯輸入S2 和 S3控制，如表5所示。輸出頻率分頻通過將轉(zhuǎn)換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來實現(xiàn)。分頻比例因子為1（不分頻）、2、10和100。不分頻時，芯片輸出信號為寬度固定的脈沖串，分頻時輸出信號為占空比50%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n（n為2、10、100）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)寄存器在下一個主頻率脈沖出現(xiàn)時被

9、清零。隨后的主頻率脈沖上輸出變?yōu)楦唠娖?，開始一個新的有效周期。在分頻輸出模式下，這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。不同于靈敏度調(diào)整，通過選定的分頻系數(shù)，使用分頻輸出會降低滿量程頻率和暗頻率。傳感器對輸出頻率的分頻功能使輸出范圍在多種測量方法時都可達到最優(yōu)化。分頻系數(shù)為1或不分頻時，輸出可以用頻率計、脈沖計數(shù)器或高速定時器來測量；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，或用于使用周期測量技術的場合。分頻系數(shù)為10或100時輸出提供一個較低的頻率范圍，可用于高分辨率周期測量。 表5 輸出頻率分頻系數(shù)設定S0S1輸出頻率分頻系數(shù)LL1LH2HL10HH1

10、005. 應用 在使用此傳感器時需注意以下幾個問題： 需采用低噪聲供電電源以使輸出脈沖的抖動最小化。同時電源線必須采用mF mF的電容退耦，且電容需盡可能靠近芯片。 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。 芯片的輸出設計為短距離驅(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。5.2 頻率測量接口和測量技術的選擇取決于期望的分辨率和數(shù)據(jù)采集速率。采用周期測量技術可獲得最大的數(shù)據(jù)采集速率。采用2分頻輸出，輸出數(shù)據(jù)采集可以兩倍的輸出頻率的速率進行，或?qū)M量程輸出，可以每毫秒一個數(shù)據(jù)點的速率進行數(shù)據(jù)采集。周期測量要求使用快速參考時鐘

11、，且此參考時鐘帶有與其速率直接相關的可用分辨率。對于特定時鐘速率，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)或綜合技術可獲得最大的分辨率和精度。頻率測量提供更多的優(yōu)點，如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。分辨率主要受可用計數(shù)寄存器和允許的測量時間限制。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。5.3 應用舉例TSL230R與微控制器組成的光子計數(shù)器的電路連接如圖3所示。光/頻轉(zhuǎn)換器與微控器連接在一起，其靈敏度與分頻輸出由微控制器編程設置。微控制器調(diào)用相應的子程序來設置期望的靈敏度和分頻，這樣電路就可實現(xiàn)光子計數(shù)器的功能。1S0S1S2S3OUT2786VDD5V5VDD34