颜色传感器TCS230及颜色识别电路(2)

2011-03-02

                    颜色传感器TCS230及颜色识别电路(2)

       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大输出频率。
表2 TCS230的电学特性参数
参    数  测  试  条  件   小  典 型   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
满度输出频率  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℃  　 ±200  　 ppm/℃
KSVS电源电压灵敏度
VDD=5V±10%  　 ±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
  小  典型  大  小  典型  大  小  典型  大  小  典型  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  　 ±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更佳。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。

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