導(dǎo)語：如何才能寫好一篇光電二極管，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)健詞： 光電二極管；光電傳感器；報(bào)警電路

隨著自動(dòng)化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域。從茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。因此，傳感器技術(shù)也就成為各大中職院校相關(guān)專業(yè)的一門核心課程。目前，中職學(xué)校的核心課程正趨于模塊化、項(xiàng)目化、“教、學(xué)、做”合一的方向發(fā)展，為此，筆者在傳感器教學(xué)中結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)法，增加了設(shè)計(jì)型和應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，將光電二極管在煤氣熄火報(bào)警電路中的應(yīng)用大膽地融入到光電傳感器一體化教學(xué)中，以尋求最佳的教學(xué)效果。

1 光電傳感器與光電二極管

光電傳感器是基于光電效應(yīng)制成的傳感器，通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，其核心是光電元件。光電傳感器首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的光電元件有光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管、光電倍增管等。

原理講明，接下來則利用學(xué)生喜新奇、好動(dòng)手的特點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生制作煤氣熄火報(bào)警電路。

2 光電二極管在煤氣熄火報(bào)警實(shí)驗(yàn)電路中的應(yīng)用

現(xiàn)在許多家庭都使用了煤氣爐或液化氣爐，可是因使用不當(dāng)而造成的事故卻時(shí)有發(fā)生。譬如煤氣爐在燒水或做飯期間，往往因開水及稀飯外溢而使?fàn)t火熄滅，如無人發(fā)現(xiàn)，將因煤氣大量外逸而導(dǎo)致火災(zāi)，甚至爆炸。雖然某些高級(jí)煤氣爐有自動(dòng)熄火控制保護(hù)裝置，但價(jià)格高難以普及。那我們何不自己動(dòng)手制作一臺(tái)既簡(jiǎn)單又實(shí)用的煤氣熄火報(bào)警器呢？煤氣熄火報(bào)警器能夠有效監(jiān)視煤氣燃燒情況，在爐火意外熄滅時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出強(qiáng)烈的報(bào)警信號(hào)，提醒主人趕快關(guān)閉煤氣開關(guān)或重新點(diǎn)火，以免發(fā)生危險(xiǎn)。因此，在現(xiàn)有爐具上安裝煤氣意外熄火報(bào)警電路是十分必要的。學(xué)生聽了這樣的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入，自然摩拳擦掌、躍躍欲試了。

2.2 元器件選擇

光電二極管可用2CU或2AU等系列光敏管，W可用WH7或WSW型微調(diào)電位器。其余元件可參照?qǐng)D中即可。安裝前要檢查元器件的好壞和極性，剔除并更換不符合要求的器件。

2.3 電路組裝

圖5所示是本線路的印制板，尺寸為30×50mm2。也可讓學(xué)生利用Protel軟件自行設(shè)計(jì)制作電路板。最后根據(jù)元器件的安裝工藝要求及原則，將各元件有序地安裝到印制板上，并提醒同學(xué)注意安全。

2.4 電路調(diào)試

1）接通電源，用導(dǎo)線將VT2的集電極和發(fā)射極短接，此時(shí)揚(yáng)聲器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，說明音頻振蕩器正常。若不能正常發(fā)聲，而電路又焊接正確的話，應(yīng)檢查由VT3、VT4所組成的振蕩電路是否存在有錯(cuò)焊、虛焊、漏焊等現(xiàn)象。

2）在音頻振蕩器正常工作的基礎(chǔ)上，用打火機(jī)模擬爐火并距光電二極管30cm～50cm處點(diǎn)燃，此時(shí)調(diào)整電位器W使報(bào)警器不響；當(dāng)打火機(jī)熄滅時(shí)，揚(yáng)聲器應(yīng)能立即發(fā)聲，則說明電路正常。為了減小外來光對(duì)報(bào)警器的干擾，可在光電二極管的前方加一塊照相機(jī)鏡頭用的紅色濾光片。

報(bào)警電路安裝實(shí)驗(yàn)成功后，可將它裝在一個(gè)小盒子內(nèi)，制作成個(gè)人作品?？捎糜趯W(xué)校成品展示，也可家庭使用。在實(shí)際使用時(shí)，將光電二極管安裝在離火焰30cm～50cm處，并對(duì)準(zhǔn)爐火。當(dāng)不用爐火時(shí)，打開報(bào)警器的電源開關(guān)即可。

實(shí)驗(yàn)完成后，可向?qū)W生提出問題：煤氣熄火報(bào)警電路中的光電二極管是否可以用光電三極管或光敏電阻來替代，電路應(yīng)需如何改進(jìn)。這樣，由淺入深，循序漸進(jìn)，可發(fā)散學(xué)生思維，以增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和竟?fàn)幰庾R(shí)。

總之，為提高中職學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，在傳感器應(yīng)用技術(shù)的課堂教學(xué)中，應(yīng)大膽創(chuàng)新，將各類傳感器的小應(yīng)用、小制作，如“用霍爾開關(guān)制作開門樂鈴”、“用光敏電阻制作有毒氣體報(bào)警器”、“用壓電傳感器制作防盜報(bào)警器”等內(nèi)容融入到教學(xué)中，并走產(chǎn)品項(xiàng)目和實(shí)境教學(xué)相結(jié)合之路，實(shí)現(xiàn)專業(yè)與工作崗位對(duì)接、實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)車間對(duì)接，讓學(xué)生在實(shí)操過程中研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題，體驗(yàn)真實(shí)的工作情境，執(zhí)行完整的作業(yè)流程，從而創(chuàng)建真實(shí)情境下的“教、學(xué)、做”合一。這樣才能使我們的教學(xué)和課程改革穩(wěn)步有序地向前發(fā)展，才能培養(yǎng)出符合市場(chǎng)需要的高素質(zhì)技能型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉緒軍，《職校電子技術(shù)》修訂本，家電維修雜志社，2010.3.

[2]顧波、張海平主編，檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用，北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]梁森、王侃夫、黃杭美編著，自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)（第2版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.8.

篇2

【關(guān)鍵詞】光電探測(cè)器 光電轉(zhuǎn)換 放大電路 PIN

1引言

隨著光纖通信的快速發(fā)展，光纖測(cè)試設(shè)備（光功率計(jì)，光時(shí)域反射儀，光纖故障診斷儀，光衰減器等）的需求也在逐漸增長(zhǎng)[1]。這些儀器設(shè)備是光纖通信系統(tǒng)在日常維護(hù)中是必不可少的。這些儀器設(shè)備內(nèi)部都需要用到光電探測(cè)器電路，光電探測(cè)器及其設(shè)計(jì)優(yōu)良的檢測(cè)電路對(duì)于測(cè)量?jī)x器性能來說尤為重要。

2光電探測(cè)器的應(yīng)用分析

光電感應(yīng)器件又稱光電探測(cè)器。光探測(cè)器就是把光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。光探測(cè)器通過感受入射于其上的功率變化，并把這種光脈沖功率的變化轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)變化的電流信號(hào)[2]。目前常用的半導(dǎo)體光探測(cè)器主要有具有本征層的光電二極管（PIN）、雪崩光電二極管（APD）、光電晶體管等，其中前兩種應(yīng)用最為廣泛。其中PIN光電二極管是在P-N結(jié)光電二極管的基礎(chǔ)上，為了得到高速響應(yīng)，通過減小二極管的PN結(jié)電容，并在大量摻入雜質(zhì)的P型和N型硅片層之間插入高阻抗的本征半導(dǎo)體材料層，從而提高了靈敏度和響應(yīng)速度，其性能指標(biāo)均超過P-N結(jié)光電二極管，得到了廣泛使用；雪崩光電二極管APD，在同樣負(fù)載條件下，具有高靈敏度，雖然具有內(nèi)增益可大大降低對(duì)前置放大器的要求，但卻需要上百伏的工作電壓；另外，其性能與入射光功率有關(guān)，通常當(dāng)入射光功率在1nW至幾W時(shí)，倍增電流與入射光具有較好的線性關(guān)系，但當(dāng)入射光功率過大，倍增系數(shù)M反而會(huì)降低，從而引起光電流的畸變。測(cè)量表明，只有當(dāng)入射光功率小于10-5W時(shí)，光電流二次畸變才小于-60dB。并且，其特性隨環(huán)境溫度的變化而變化。因此，PIN光電二極管可作為光功率和光纖故障診斷儀的光電轉(zhuǎn)換器。

3光電探測(cè)器的選擇

目前在光通信上被廣泛采用光波長(zhǎng)為1310nm與1550nm，InGaAs型的PIN光電二極管更適合于此類波長(zhǎng)。以武漢昱升光器件有限公司的YSPD728-G6型號(hào)光電二極管為例。該二極管是具有波長(zhǎng)范圍800-1700nm ，F(xiàn)C/ST/SC三種適配器可更換，響應(yīng)度大于0.85A/W等特點(diǎn)的插拔式同軸探測(cè)器，具有響應(yīng)度高、暗電流小、線性度高、穩(wěn)定度高、FC/ST/SC三種適配器可更換等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在設(shè)計(jì)光功率計(jì)及光纖故障檢測(cè)儀中帶來很大的方便。

4 光電探測(cè)器放大電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)光電探測(cè)器電路設(shè)計(jì)的測(cè)試，其電路增益達(dá)到100倍以上，電路帶寬50MHz，探測(cè)器靈敏度高，能探測(cè)到微弱的光信號(hào)，如光時(shí)域反射儀需要探測(cè)的背向瑞利散射光信號(hào)，其性能參數(shù)基本達(dá)到光功率計(jì)及光時(shí)域反射儀等光纖測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)需求，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明德.光纖通信原理與系統(tǒng)[M].南京：東南大學(xué)出版社 2003.9.

[2]微弱激光功率計(jì)研究[D].河北工業(yè)大學(xué).2007

篇3

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距機(jī) 原理 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 總體介紹

首先，系統(tǒng)初始化，當(dāng)將焦距調(diào)節(jié)到待測(cè)目標(biāo)后，由系統(tǒng)的處理器發(fā)出控制信號(hào)到觸發(fā)電路，發(fā)出激光脈沖，同時(shí)計(jì)數(shù)單元開始計(jì)數(shù)，同時(shí)開中斷，等待返回的激光脈沖信號(hào)。當(dāng)接收到信號(hào)后，關(guān)中斷，同時(shí)將計(jì)數(shù)單元的數(shù)據(jù)傳送給處理器進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)控制單元

為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，就需要系統(tǒng)能夠進(jìn)行高速測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，在本系統(tǒng)中，我們選擇的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一個(gè)多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及Flash/EE。芯片上有自鎖相環(huán)和帶振蕩器，能夠產(chǎn)生 MHZ的時(shí)鐘。并且處理器還可以通過編程的方法得到想要的工作頻率。片上的MCU型號(hào)為ARM7TDMI，處理速度能夠達(dá)到 MIPS，片上自帶 KB的Flash存儲(chǔ)器和 KB的SRAM。

3 系統(tǒng)發(fā)射單元設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射單元原理

系統(tǒng)的發(fā)射單元主要是由驅(qū)動(dòng)電路和激光發(fā)射機(jī)組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射指令后，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射器，向目標(biāo)發(fā)射激光。其中，主要設(shè)計(jì)部分是驅(qū)動(dòng)電路部分。在驅(qū)動(dòng)電路部分，要求電源能夠在低負(fù)載上產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖，以便于控制激光二極管的發(fā)射功率。同時(shí)，又要求其能夠產(chǎn)生幅度足夠大的脈沖電壓。在滿足以上兩點(diǎn)的基礎(chǔ)上要加設(shè)一個(gè)對(duì)激光二極管的過流與最大反沖電壓的保護(hù)部分。故發(fā)射單元的驅(qū)動(dòng)部分主要包括電源、時(shí)基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。

3.2 系統(tǒng)的脈寬整形調(diào)節(jié)單元

由激光二極管的的特性可知，激光二極管的發(fā)射功率與電流的大小和工作溫度有關(guān)。若想使得激光器發(fā)射恒定功率的激光，就需要對(duì)溫度與電流的大小進(jìn)行控制。這就需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路與電流反饋電路。這不僅增加了成本，而且使得電路復(fù)雜。我們選擇脈沖電流觸發(fā)的方法，成功的避免了上述的問題，同時(shí)能夠滿足系統(tǒng)精度的要求。

3.3 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路單元

系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路包括電源單元、時(shí)基電路、窄脈沖形成電路以及脈沖電流輸出放大電路。我所選擇的半導(dǎo)體激光器是PGEW1S09。

當(dāng)窄脈沖產(chǎn)生后，由于其電流和功率較小，需要經(jīng)過功率放大電路來對(duì)其放大，從而能夠驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光。為了提高系統(tǒng)可靠性，應(yīng)選用集成電路來作為驅(qū)動(dòng)部分。我所選擇的驅(qū)動(dòng)器是由MICREL公司生產(chǎn)的型號(hào)為MIC4452的一款高效率的驅(qū)動(dòng)芯片。

4 系統(tǒng)接收單元設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)接收單元原理

接收單元模塊主要由光電轉(zhuǎn)換器、前置放大器電路、主放大器電路和電壓比較電路等組成。其中光電轉(zhuǎn)換器的作用就是將已經(jīng)接收到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并且對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理的裝置。由于發(fā)射單元發(fā)射的激光脈沖信號(hào)在發(fā)射源與待測(cè)物間來回往返的進(jìn)程中，由于空氣折射率的變化、其他噪聲信號(hào)的干擾，就會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的強(qiáng)度，使其變得很微小，所以為了保證測(cè)距精度的要求，就需前置放大器對(duì)其進(jìn)行放大。另外對(duì)于所測(cè)距離的遠(yuǎn)近和反射回來的激光信號(hào)的強(qiáng)弱的關(guān)系，還需考慮將發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)控制在一定幅度范圍內(nèi)，從而擴(kuò)展了測(cè)量范圍的大小，進(jìn)而減少了誤差，提高了精度。

4.2 光電探測(cè)器件選擇

準(zhǔn)確及時(shí)的接收到反射回來的脈沖信號(hào)，是測(cè)距系統(tǒng)性能精確的重要保障，但是我們知道反射回來的脈沖信號(hào)比較微弱，而環(huán)境中又存在這各種噪聲，這些噪聲干擾對(duì)反射脈沖信號(hào)的接收能力提出了很高的要求，在我們器件選擇上就需要有所體現(xiàn)。而對(duì)于光電二極管的選擇，我們對(duì)其的要求就是其對(duì)發(fā)射單元發(fā)射出的光源波長(zhǎng)范圍內(nèi)的具有較高的響應(yīng)度，而且具有充足的帶寬來處理所接收到的數(shù)據(jù)。

PIN型光電二極管和雪崩光電二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)光電二極管為基礎(chǔ)發(fā)展的。半導(dǎo)體PN結(jié)主要由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)構(gòu)成，其具有體積小、重量輕、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

雪崩（APD）光電二極管和PIN型二極管都是光電轉(zhuǎn)換器件，二者都可以在特定的工作場(chǎng)合完成光電任務(wù)。然后二者又有很大的區(qū)別，PIN型光電二極管每吸收一個(gè)光子，它最多產(chǎn)生一個(gè)“電子-空穴”，所以它自身沒有增益。而崩光電二極管在入射光照射下一個(gè)光子產(chǎn)生的那一對(duì)電子-空穴在外加電場(chǎng)的作用下加速及碰撞過程中會(huì)產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴，其自身帶有增益。APD轉(zhuǎn)換器與PIN轉(zhuǎn)換器相比較，具有載流子倍增效應(yīng)、探測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，而且其更適合用于遠(yuǎn)程測(cè)距，在本系統(tǒng)中即為遠(yuǎn)距測(cè)距，所以我們?cè)诖诉x用APD光電二極管作為探測(cè)器。

4.3 前置放大器

前置放大器的選擇，我們主要考慮其噪聲影響和帶寬指標(biāo)，而低噪聲與高帶寬的前置放大器選擇是我們所必須兼顧的。從前面的雪崩光電二極管轉(zhuǎn)換過來的電信號(hào)經(jīng)此放大器放大后，從而轉(zhuǎn)換為我們需要的信號(hào)，也就是下一級(jí)所需要的信號(hào)，容易精確測(cè)量的信號(hào)。

通常為了減小前置放大器發(fā)噪聲，往往會(huì)采用增加輸入電阻的方式。然而較大的輸入阻抗會(huì)限制帶寬，這樣就需要對(duì)高阻抗放大器的頻率進(jìn)行補(bǔ)償。然而帶有時(shí)間游動(dòng)補(bǔ)償和外殼恒溫控制點(diǎn)雪崩光電二極管，不會(huì)受到波信號(hào)的變化而引起的測(cè)距偏差的問題，使其具有了更大動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

篇4

osie全稱為“OPPOScreenImageEngine”，即OPPO超清視效，該功能是OPPO自主研發(fā)的視覺優(yōu)化技術(shù)，通過軟件層面實(shí)現(xiàn)業(yè)界首個(gè)對(duì)短視頻畫面的視覺優(yōu)化。

OPPO是一款主要以拍照作為亮點(diǎn)的手機(jī)品牌，一直專注手機(jī)拍照的技術(shù)創(chuàng)新，開創(chuàng)了“手機(jī)自拍美顏”時(shí)代。對(duì)于OPPO來說，它的專利更多的是集中在了拍照、旋轉(zhuǎn)攝像頭、VOOC閃充等領(lǐng)域。

雙核對(duì)焦是OPPOR9s在索尼IMX398傳感器的基礎(chǔ)上搭載的一種對(duì)焦技術(shù)?！半p核”指的是把像素當(dāng)中的光電二極管一分為二，讓分開后的光電二極管能獨(dú)立接收光線，形成的相位差就是驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行對(duì)焦的“依據(jù)”，而獨(dú)立的2個(gè)光電二極管在成像時(shí)可作為一個(gè)像素進(jìn)行輸出。

（來源：文章屋網(wǎng) ）

篇5

關(guān)鍵詞：手勢(shì)識(shí)別；非接觸；紅外；傳感器

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-0-03

0 引 言

人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展大大增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)[1]，手勢(shì)識(shí)別[2]也逐漸成為人機(jī)交互的核心技術(shù)。隨著人機(jī)界面技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，紅外線接近感應(yīng)器正逐漸成為非接觸式手勢(shì)識(shí)別用戶界面的創(chuàng)新點(diǎn)。早期的傳統(tǒng)紅外線接近感應(yīng)系統(tǒng)由老式光電探測(cè)器和光電斷路器組成，其觸發(fā)方式基于是否移動(dòng)或中斷，但這些器件在應(yīng)用方面受感應(yīng)器尺寸、功耗和可配置性的限制[3-7]。相比于這些早期的紅外線接近傳感器，Silicon Labs的Si1143傳感器不僅體積更小、功耗更低，還可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)紅外線發(fā)光二極管，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)的多維手勢(shì)輸入功能。本文結(jié)合面向人機(jī)界面應(yīng)用的Si1143傳感器的優(yōu)勢(shì)，給出了一種非接觸式手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案支持兩個(gè)和三個(gè)LED實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的接近傳感器集成電路，使人們能夠更方便、更安全、更愉快的通過非接觸手勢(shì)識(shí)別用戶界面。

1 Si1143的基本特性

Si1143是基于反射的低功率紅外線臨近和環(huán)境光傳感器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它包括ADC轉(zhuǎn)換器、可見光光電二極管、紅外線光電二極管、數(shù)字信號(hào)處理器以及集成的紅外線LED驅(qū)動(dòng)器等。工作時(shí)LED發(fā)送紅外光被物理反射回來后，由可吸收波長(zhǎng)850880 nm的紅外光電二極管接收，而環(huán)境光則由可接收波長(zhǎng)在500600 nm范圍內(nèi)的可見光光電二極管接收，然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)AMUX送入ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過I2C總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制器。接近傳感器的檢測(cè)距離和靈敏度由系統(tǒng)的信噪比（SNR）決定，SNR越高，距離越遠(yuǎn)。多種可變因素影響系統(tǒng)的SNR，包括環(huán)境噪聲/光線補(bǔ)償、光電二極管靈敏度、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）架構(gòu)[8]。Si1143的聯(lián)合架構(gòu)優(yōu)化具有非常高的系統(tǒng)SNR，從而使Si1143接近傳感器具有較遠(yuǎn)的感應(yīng)距離、較高的靈敏度和較快的數(shù)據(jù)采集速度。

Si1143在廣泛的動(dòng)態(tài)范圍和包括陽光直射在內(nèi)的各種光源下可提供優(yōu)異性能，高靈敏度支持在半透明的產(chǎn)品覆蓋物后面靈活放置紅外傳感器。光電二極管響應(yīng)和關(guān)聯(lián)的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路對(duì)人造光閃爍噪聲和自然光顫動(dòng)噪聲具有優(yōu)異的抗擾性。Si1143完備的IR感應(yīng)架構(gòu)也可在日光下工作[9]，其包含一個(gè)環(huán)境光傳感器，能夠感應(yīng)高達(dá)128 kiloLux的光照度。此外，Si1143的先進(jìn)架構(gòu)能夠在25 s內(nèi)完成接近感應(yīng)測(cè)量，減少了極其耗電的紅外發(fā)光二極管的開啟時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了低功耗。

Si1143包括最多3個(gè)紅外線LED驅(qū)動(dòng)器，可以自由實(shí)現(xiàn)檢測(cè)距離超過50 cm的一維HI系統(tǒng)或檢測(cè)距離高達(dá)15 cm的具有手勢(shì)感應(yīng)能力的多維系統(tǒng)。多個(gè)紅外線LED燈驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)動(dòng)作和手勢(shì)感應(yīng)，Si1143支持3個(gè)LED驅(qū)動(dòng)，支持多軸式臨近運(yùn)動(dòng)探測(cè)，能夠在多維非接觸式控制中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的三維動(dòng)作感應(yīng)[10]。

2 非接觸式手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)組成

圖2所示為Si1143與控制器的連接電路示意圖。Si1143可與Silicon Labs提供的多種電容式觸摸感應(yīng)微控制器相結(jié)合，包括C8051F700、C8051F800或C8051F99x處理器，組成非接觸式的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，并能用于多種動(dòng)作和手勢(shì)檢測(cè)，以及目標(biāo)物體距離校準(zhǔn)應(yīng)用。Si1143器件的感應(yīng)模式提供有用信息給MCU，用以確定背景光類型，如日光、熒光燈光或白熾燈光。這種信息具有廣泛應(yīng)用，可改善IR接近感應(yīng)、優(yōu)化紅外感應(yīng)功耗、增強(qiáng)顯示設(shè)備的背景亮度調(diào)節(jié)功能以及控制系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備。

3 紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)感應(yīng)

Si1143接近環(huán)境光傳感器適用于非接觸式手勢(shì)感應(yīng)，如讀者翻頁，滾動(dòng)平板電腦或GUI導(dǎo)航。Si1143可提供高達(dá)三個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，并可在715 cm產(chǎn)品互動(dòng)區(qū)域內(nèi)感知手勢(shì)。我們通過使用紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作感應(yīng)，主要采用基于位置和基于相位的手勢(shì)感應(yīng)。

（1）基于位置的手勢(shì)感應(yīng)通過計(jì)算對(duì)象的位置來實(shí)現(xiàn)手勢(shì)感應(yīng)。

（2）基于相位的手勢(shì)檢測(cè)則通過定時(shí)信號(hào)的變化來判斷物體的運(yùn)動(dòng)方向。

3.1 基于位置的手勢(shì)感應(yīng)

基于位置的運(yùn)動(dòng)傳感算法涉及三個(gè)主要步驟：

（1）將原始數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換成可用的距離數(shù)據(jù)，

（2）使用距離數(shù)據(jù)來估計(jì)目標(biāo)對(duì)象的位置，

（3）檢查位置數(shù)據(jù)移動(dòng)的定時(shí)，以查看是否有手勢(shì)出現(xiàn)。

3.2 基于相位的手勢(shì)感應(yīng)

基于相位的手勢(shì)感應(yīng)包括從原始數(shù)據(jù)尋找鄰近測(cè)量和尋找每個(gè)LED的定時(shí)變化反饋。當(dāng)手放在LED的正上方，將出現(xiàn)每個(gè)LED的最大反饋點(diǎn)。如果手掃過兩個(gè)LED，可以通過查看其LED首次出現(xiàn)的反饋來確定劃過的方向。

3.3 兩方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

基于位置方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供目標(biāo)的位置信息，并允許系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比例控制?；谖恢梅椒ǖ闹饕秉c(diǎn)是位置計(jì)算的精度。位置算法假定LED是球形輸出，但在實(shí)際應(yīng)用中LED的輸出是圓錐形。該方法還假定LED的整個(gè)輸出是均勻光強(qiáng)，但實(shí)際情況中光強(qiáng)度會(huì)衰減。且該方法不考慮目標(biāo)的形狀，一個(gè)獨(dú)特形狀的對(duì)象會(huì)導(dǎo)致位置輸出不一致。例如該系統(tǒng)區(qū)別不出手和手腕之間的差異，因此涉及該手腕運(yùn)動(dòng)的區(qū)域檢測(cè)則不太精確。該方法中提供的位置信息用于低分辨率系統(tǒng)是足夠的，但當(dāng)前的定位算法并不太適合于定點(diǎn)應(yīng)用。

對(duì)于不需要位置信息的應(yīng)用，基于相位的方法提供了一個(gè)非常可靠的方法檢測(cè)手勢(shì)。每個(gè)手勢(shì)可以在可檢測(cè)區(qū)域任一入口或出口進(jìn)行檢測(cè)，該方法的缺點(diǎn)是不能提供位置信息。這意味著可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)的數(shù)量比以位置為基礎(chǔ)的方法更有限。相位法只能從檢測(cè)區(qū)域區(qū)別出進(jìn)入和退出的方向，無法檢測(cè)到可檢測(cè)區(qū)域中的任何運(yùn)動(dòng)。

3.4 兩方法結(jié)合提高手勢(shì)識(shí)別

系統(tǒng)將兩種方法結(jié)合，彌補(bǔ)了彼此的缺陷?；谖恢玫姆椒商峁┠承┪恢眯畔⑦M(jìn)行比例控制，基于相位的方法可以用于檢測(cè)大多數(shù)的手勢(shì)。這兩種方法配合使用，可以給手勢(shì)感應(yīng)提供強(qiáng)大的解決方案。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)相關(guān)

4.1 臨近感應(yīng)

Si1143可以驅(qū)動(dòng)三個(gè)單獨(dú)的紅外線LED。將這三個(gè)紅外線LED放入L形配置中時(shí)，可以對(duì)三維臨近場(chǎng)地內(nèi)的物體進(jìn)行三角測(cè)量。每當(dāng)?shù)絇S測(cè)量時(shí)，Si1143會(huì)進(jìn)行多達(dá)三次測(cè)量，具體依據(jù)CHLIST中啟用的參數(shù)而定。也可以修改這些測(cè)量的ADC參數(shù)，允許在不同環(huán)境光條件下正常運(yùn)行。在這三次測(cè)量中，都可以對(duì)LED選擇進(jìn)行設(shè)定。在默認(rèn)情況下，每次測(cè)量打開一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，但容易顛倒測(cè)量順序，或讓所有LED同時(shí)打開。根據(jù)情況，可以將每次臨近測(cè)量值與主機(jī)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。

為了動(dòng)態(tài)支持不同的電源使用效率情形，每個(gè)輸出的紅外線LED電流都可以獨(dú)立設(shè)定，可在幾毫安到幾百毫安之間任意取值，因此主機(jī)可以動(dòng)態(tài)地臨近探測(cè)性能或節(jié)能優(yōu)化。此功能允許主機(jī)在一個(gè)物體已進(jìn)入臨近范圍后降低LED電流，并在采用較低電流設(shè)置時(shí)仍然可以跟蹤該物體。最后通過靈活的電流設(shè)置，采用受控制的電流吸收器控制紅外線LED電流，從而提高精確度。

4.2 環(huán)境光

Si11413具有能夠同時(shí)測(cè)量可見光和紅外光的光電二極管，但可見光光電二極管也受紅外光影響。測(cè)量照明度時(shí)需要與人眼相同的光譜響應(yīng)。如果需要準(zhǔn)確測(cè)量照明度，則必須補(bǔ)償可見光光電二極管的額外IR響應(yīng)。為了讓主控制器可以對(duì)紅外光的影響進(jìn)行校正，Si1143在單獨(dú)通道報(bào)告紅外光的測(cè)量結(jié)果。單獨(dú)的可見光光電二極管和IR光電二極管適合于各種算法解決方案。主控制器可以執(zhí)行兩次測(cè)量，運(yùn)行算法推導(dǎo)出與人眼感覺相當(dāng)?shù)恼彰鞫取Ｔ谥鳈C(jī)中運(yùn)行IR校正算法可以非常靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)變量。如果在系統(tǒng)中使用的玻璃阻止的可見光超過紅外光，則需要調(diào)節(jié)IR校正。如果主機(jī)沒有進(jìn)行任何紅外線校正，則可以在CHLIST參數(shù)中關(guān)閉紅外線測(cè)量。

4.3 主控制器接口

Si1143的主控制器接口由SCL、SDA及INT三個(gè)引腳組成，設(shè)計(jì)INT、SCL和SDA引腳的目的是使Si1143通過軟件命令進(jìn)入關(guān)閉模式，而不會(huì)干擾總線上其他I2C器件的正常運(yùn)行。Si1143的I2C從地址是0x5A，可響應(yīng)全局地址（0x00）和全局復(fù)位命令（0x06），但僅支持7位I2C地址，不支持10位I2C地址。

4.4 運(yùn)行模式

Si1143的運(yùn)行模式包括關(guān)閉模式、初始化模式、備用模式、強(qiáng)制轉(zhuǎn)換模式和自發(fā)模式，在任何時(shí)候可以處于眾多運(yùn)行模式中的一種。且必須考慮運(yùn)行模式，因?yàn)樵撃Ｊ綄?duì)Si1143的整體功耗有影響。

4.5 命令和響應(yīng)結(jié)構(gòu)

在讀取或?qū)懭胨蠸i1143的I2C寄存器（除了寫入COMMAND寄存器之外）時(shí)都不喚醒內(nèi)部定序器。Si1143可以在強(qiáng)制測(cè)量模式或自發(fā)模式中運(yùn)行。處于強(qiáng)制測(cè)量模式時(shí)，除非主控制器通過特定命令明確請(qǐng)求Si1143進(jìn)行測(cè)量，否則Si1143不進(jìn)行任何測(cè)量。此時(shí)需要寫入CHLIST參數(shù)，以便讓Si1143知道要進(jìn)行哪些測(cè)量。參數(shù)MEAS_RATE為零時(shí)會(huì)將內(nèi)部定序器置于強(qiáng)制測(cè)量模式。處于強(qiáng)制測(cè)量模式時(shí)，僅當(dāng)主控制器寫入COMMAND寄存器時(shí)，內(nèi)部定時(shí)器才喚醒。處于強(qiáng)制測(cè)量模式時(shí)（MEAS_RATE=0），耗電量最低。當(dāng)MEAS_RATE不為零時(shí)，Si1143在自發(fā)運(yùn)行模式中運(yùn)行。MEAS_RATE表示Si1143定期喚醒的時(shí)間間隔。內(nèi)部定時(shí)器喚醒后，定序器根據(jù)PS_RATE和ALS_RATE寄存器管理內(nèi)部PS計(jì)數(shù)器和ALS計(jì)數(shù)器。當(dāng)內(nèi)部PS計(jì)數(shù)器過期時(shí)，根據(jù)通過CHLIST參數(shù)高位啟用的測(cè)量，最多執(zhí)行三個(gè)臨近測(cè)量（PS1、PS2和PS3）。順序執(zhí)行這三個(gè)PS測(cè)量，從PS1測(cè)量通道開始。同樣當(dāng)ALS計(jì)數(shù)器過期時(shí)，根據(jù)通過CHLIST參數(shù)高位啟用的測(cè)量，最多執(zhí)行三個(gè)測(cè)量（ALS_VIS、ALS_IR和AUX）。

4.6 命令協(xié)議

與其他主機(jī)可寫入的I2C寄存器不同的是，COMMAND寄存器將內(nèi)部定序器從備用模式喚醒，以處理主機(jī)請(qǐng)求。執(zhí)行命令時(shí)，將更新 RESPONSE寄存器。通常在沒有錯(cuò)誤時(shí)，高四位不為零。為了允許命令跟蹤，低四位實(shí)施4位循環(huán)計(jì)數(shù)器。一般而言，如果RESPONSE寄存器的高半字節(jié)不為零，則表示有錯(cuò)誤或需要特殊處理。

5 結(jié) 語

在各種多元化的手勢(shì)識(shí)別環(huán)境中，當(dāng)用戶的手被占用、出汗或手持物體而不利于觸摸屏操作時(shí)，就要用到非接觸式手勢(shì)識(shí)別。Si114x系列傳感器的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)可以滿足非接觸的需求。Si114x系列傳感器具有高靈敏度、高效節(jié)能以及超長(zhǎng)感應(yīng)距離等優(yōu)點(diǎn)，且封裝體積小，易用性高，能夠用于手機(jī)、電子閱讀器、平板電腦、個(gè)人媒體播放器、辦公設(shè)備、工業(yè)控制、安全系統(tǒng)、銷售終端和其他設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)的接近感應(yīng)和非接觸式界面。

參考文獻(xiàn)

[1]武霞，張崎，許艷旭.手勢(shì)識(shí)別研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].電子科技，2013，26（6）：171-174.

[2]陳守滿，朱偉，王慶春.圖片操作的手勢(shì)動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（22）：4-6.

[3]陳龍，陳朝大，鄧禧龍，等.紅外線感應(yīng)節(jié)水裝置效果分析[J].低碳世界，2016（13）：4-5.

[4]于乃功，王錦.基于人體手臂關(guān)節(jié)信息的非接觸式手勢(shì)識(shí)別方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42（3）：362-368.

[5]關(guān)然，徐向民，羅雅愉.基于計(jì)算機(jī)視覺的手勢(shì)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（1）：155-159.

[6]李芬蘭，張文清，莊哲民.基于手勢(shì)識(shí)別的智能輸入系統(tǒng)[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（3）：60-65.

[7]魯姍丹，周松斌，李昌.基于多光源紅外傳感技術(shù)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程， 2015（2）：22-26.

[8]楊碧玲.集成多路LED應(yīng)用，Silicon Labs接近感應(yīng)器擴(kuò)展多種應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2011（12）：27.

篇6

光傳感器，也稱為光探測(cè)器，可以生長(zhǎng)在各種不同的襯底上：鍺、砷化鎵銦、磷化鎵以及硅。所有這些光傳感器都具有可變的光譜和時(shí)間響應(yīng)及應(yīng)用功能，但是這類非硅基傳感器的應(yīng)用空間相對(duì)較窄，而硅基傳感器則廣泛適用于醫(yī)療、工業(yè)及商業(yè)等領(lǐng)域。

硅基光探測(cè)器，比如集成了RGB濾波器的TAOS TCS230色彩傳感器，為用戶提供了眾多選項(xiàng)，以適應(yīng)其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

與其他光探測(cè)器相比，硅基光傳感器不僅具有更廣泛的用途，而且它們與其他電路的集成也非常容易，通常這使得它們成為更節(jié)省成本的解決方案。這也是它們的采用率如此之高的部分原因。

盡管硅基光傳感器應(yīng)用廣泛，但能否選擇到最合適的該種儀器將對(duì)設(shè)計(jì)性能產(chǎn)成巨大的影響。幸運(yùn)的是，根據(jù)大量應(yīng)用，現(xiàn)在已形成了用于選擇集成硅基光傳感器的通用標(biāo)準(zhǔn)。

通用標(biāo)準(zhǔn)

在硅基IC探測(cè)器領(lǐng)域，為特定的應(yīng)用選擇最適合的探測(cè)器需要考慮諸多因素。這些因素包括光轉(zhuǎn)換的類型、轉(zhuǎn)換速率以及光譜響應(yīng)。

集成的光傳感器可以將光轉(zhuǎn)換成不同種類的輸出，包括將光轉(zhuǎn)換成電流(LTC)，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數(shù)字信號(hào)(LTD)。它們對(duì)光做出響應(yīng)并以快慢不等的相應(yīng)速度輸出，速度(響應(yīng)時(shí)間)從幾毫秒到幾納秒不等。

硅基探測(cè)器的光譜響分布于電磁頻譜近紫外(300rim)到近紅外(1100nm)這一范圍內(nèi)，包含了可見光(400～700nm)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在這一范圍內(nèi)，光譜響應(yīng)并不一致。

雖然上述3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)并不是選擇光傳感器時(shí)需要考慮的唯一因素，但它們極大地縮小了選擇范圍，這樣可以對(duì)相似的器件類型使用最后的標(biāo)準(zhǔn)(比如成本和封裝)進(jìn)行選擇。

光轉(zhuǎn)換

LTV和LTC器件分別將光能轉(zhuǎn)換成電壓和電流輸出。這兩種器件有許多相同的應(yīng)用并可以交互使用。所以，請(qǐng)記住，’在下面有關(guān)LTV器件的討論中，如果你使用電流替換電壓，那么討論結(jié)果也將適用于LTC器件。

LTV器件在感應(yīng)到光的強(qiáng)度時(shí)，它的輸出電壓會(huì)增大或減小。器件的動(dòng)態(tài)范圍是介于最小和最大輸出電壓之間的范圍。最小的電壓等級(jí)／輸出稱為暗電壓(Vd)，出現(xiàn)在輸入光強(qiáng)度為0的時(shí)候。最大或飽和電壓級(jí)別對(duì)應(yīng)于光電二極管能夠轉(zhuǎn)換的最大光能量的輸入；即使光能量輸入超過該值，輸出電壓仍將保持不變。

LTV/C探測(cè)器適用于需要監(jiān)測(cè)光強(qiáng)瞬間變化的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，在某條生產(chǎn)線上，有必要檢測(cè)快速移動(dòng)的傳送帶上每個(gè)物體經(jīng)過某一點(diǎn)時(shí)光強(qiáng)的變化。通常，需要安裝一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，作為傳感器和微處理器或其他類型控制器之間的接口。

LTF器件將光能轉(zhuǎn)換成某種波形，波形的頻率與被感應(yīng)的光強(qiáng)成正比。LTF器件的動(dòng)態(tài)范圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當(dāng)輸入光強(qiáng)為0時(shí)，輸出是最小頻率或暗頻率。而最大或滿刻度頻率是輸出頻率不再隨著光強(qiáng)的增加而增加時(shí)的頻率。

LTF的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過LTV器件，它適用于需要更高分辨率的應(yīng)用場(chǎng)合。例如，動(dòng)態(tài)范圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個(gè)階梯，而動(dòng)態(tài)范圍是1MHz，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬個(gè)階梯，TAOS TSL237即為一例。LTF的頻率輸出需要使用一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器或者微處理器進(jìn)行處理。

LTD器件將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器之中，在那里，數(shù)據(jù)將隨著落在傳感器上的光強(qiáng)變化而成正比變化。LTD器件與微處理器之間通常使用各種不同協(xié)議之中的某一種作為接口，其中包括SMbus、I2C和SPI。

這種器件的動(dòng)態(tài)范圍是寄存器最大和最小取值之差。其數(shù)字接口也使得這些器件有一定的可編程性，可用來控制增益以及積分時(shí)間等量。

大多數(shù)LTD器件是可尋址的，這意味著多個(gè)器件可以在單根總線上共存，從而將互連成本降到最低。TAOS TSL2563是帶有可編程增益和積分時(shí)間的LTD器件的一個(gè)例子。這個(gè)傳感器通過I2C接口為編程狀態(tài)提供了中斷功能。

轉(zhuǎn)換速率

在許多應(yīng)用中，光探測(cè)器能否將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成有用輸出的速度是應(yīng)考慮的一項(xiàng)重要因素。與輸出類型無關(guān)，光電二極管的偏置和尺寸是決定傳感器轉(zhuǎn)換速度的主要因素：光電二極管越大，電容越大，對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)就越慢。因此，反向偏壓被用來增加轉(zhuǎn)換速率。請(qǐng)注意，通常情況下，對(duì)于集成傳感器轉(zhuǎn)換速度的確定起限制作用的因素是集成電路，而不是光電二極管。

盡管略有不同，但是LTV和LTC器件都可以被共同歸類為光模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換(LTA)器件。因?yàn)槌斯怆姸O管之外，LTA器件只需要很少的電路一一電流放大器(CA)或者跨阻放大器(TIA)，所以該種器件提供了比LTF或LTD器件更快的響應(yīng)時(shí)間。LTA器件的速度可通過輸出的上升和下降時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。如上所述，它不僅受偏置和光電二極管尺寸的影響，而且還與CA或者TIA的電容有關(guān)。

除了受光電二極管的限制，LTF器件還增加了電流到頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)間。通常，轉(zhuǎn)換會(huì)在電流轉(zhuǎn)換到目標(biāo)頻率輸出的一個(gè)周期內(nèi)完成。因此，LTF器件響應(yīng)產(chǎn)生1kHz波形的光強(qiáng)比響應(yīng)產(chǎn)生1MHz波形的光強(qiáng)要慢。如果要測(cè)量極弱的光強(qiáng)，對(duì)這一點(diǎn)的考慮會(huì)非常重要。

LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同，因?yàn)長(zhǎng)TD器件通常不是連續(xù)地在輸出總線上放置數(shù)據(jù)；并且通常只有在控制器發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，它才提供數(shù)據(jù)。此時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)被載入到數(shù)據(jù)寄存器。因而，轉(zhuǎn)換速率由總線的速度決定。

光譜響應(yīng)

了解應(yīng)用的光譜感應(yīng)要求，并使用具有合適的光譜響應(yīng)的傳感器與之匹配，這是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)考慮。例如，使用近紅外LED的接近探測(cè)器，需要只對(duì)近紅外區(qū)域光譜能量進(jìn)行響應(yīng)的傳感器。并且這個(gè)傳感器一定不能對(duì)可見光區(qū)域的光能進(jìn)行響應(yīng)。要達(dá)到這樣的目的，可以使用外部可見光阻擋濾波器，或者選擇帶有集成濾波器的探測(cè)器。

如果應(yīng)用需要只對(duì)可見光區(qū)域響應(yīng)，也需要進(jìn)行同樣的考慮，比如色度測(cè)量。這需要濾除太陽以及其他光源的近紅外能量，方法是使用外部或者集成的紅外阻擋濾波器。這種類型的應(yīng)用也需要紅、綠和藍(lán)(RGB)濾波器，外部的或者集成的都可以。

光學(xué)列陣

一些應(yīng)用有時(shí)需要搜集空間信息。這時(shí)可以采用許多分立器件或者集成光學(xué)線性列陣來完成。

集成的光學(xué)線性列陣由許多像元或像素組成，它們通常排列在一條直線上。像素中心之間的距離被稱為像素截距，通常以每英寸內(nèi)的點(diǎn)數(shù)(dpi)給出。

400dpi器件的像素截距是63.5μm?？臻g分辨率直接與dpi數(shù)值對(duì)應(yīng)；dpi越大，空間分辨率越高。對(duì)于給定的dpi，像素集的數(shù)目決定了器件的有效長(zhǎng)度，例如，400dpi 128像素的TAOS TSL 1401的有效長(zhǎng)度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數(shù)字的。這些器件的速度由積分時(shí)間(光被允許照射器件的時(shí)間)和時(shí)鐘速率決定。

對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，線性列陣是通過像素?cái)?shù)、有效長(zhǎng)度、分辨率和時(shí)鐘速率來選擇的。線性列陣是掃描型應(yīng)用最理想的選擇，但是它也適用于位置和邊緣探測(cè)。結(jié)束選擇

篇7

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；光電傳感器；光敏材料

一、理論基礎(chǔ)――光電效應(yīng)

光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)是指入射的光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都屬于內(nèi)光電效應(yīng)類傳感器。

1.外光電效應(yīng)

光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大，電子會(huì)克服束縛逸出表面，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)。

根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每種光子的能量為hv（v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)），由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：

式中，m為電子質(zhì)量，v為電子逸出的初速度，w為逸出功。

由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)為 式中，c為光速，w為逸出功。

2.內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí)，由于半導(dǎo)體中的電子吸收了光子的能量，使電子從半導(dǎo)體表面逸出至周圍空間的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以制成陰極射線管、光電倍增管和攝像管的光陰極等。半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙，其能量間隔為Eg。一般情況下，價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶，所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體。但如果通過某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量，就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中，形成載流子，增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量hν≥Eg（Eg為帶隙間隔）時(shí)，價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量，躍遷到導(dǎo)帶，而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子――空穴對(duì)。這里的電子并未逸出形成光電子，但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此，這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，要使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，也存在一個(gè)入射光的極限能量，即Eλ=hν0=Eg，其中ν0是低頻限（即極限頻率ν0=Egh）。這個(gè)關(guān)系也可以用長(zhǎng)波限表示，即λ0=hcEg。入射光的頻率大于ν0或波長(zhǎng)小于λ0時(shí)，才會(huì)發(fā)生電子的帶間躍遷。當(dāng)入射光能量較小，不能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，有可能使電子吸收光能后，在一個(gè)能帶內(nèi)的亞能級(jí)結(jié)構(gòu)間（即圖1中每個(gè)能帶的細(xì)線間）躍遷。

二、光電器件及其特性

1.光敏電阻

1）光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。

2）光敏電阻的伏安特性測(cè)量

（1）按原理圖1連接好實(shí)驗(yàn)線路，將光源用的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈和光敏電阻板置測(cè)試架中，電阻盒以及轉(zhuǎn)接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。

（2）通過改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強(qiáng)，每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時(shí)5個(gè)光電流數(shù)據(jù)，即 ，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值 。以后逐步調(diào)大相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行5～6次不同光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。

由圖可知，在一定光強(qiáng)下，光敏電阻的光電流與光電壓成線性關(guān)系，隨電壓的增大二增大，并且，光強(qiáng)越大，其增長(zhǎng)越快。

2、光敏二極管

1）光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。

2）光敏二極管的伏安特性測(cè)量

（1）按原理圖2接好實(shí)驗(yàn)線路，將光電二極管板置測(cè)試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。

篇8

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無衍射光通信系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)。其結(jié)構(gòu)包括上位機(jī)、發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，如圖1所示。工作時(shí)上位機(jī)經(jīng)過串口發(fā)送信號(hào)，經(jīng)接口電路的電平轉(zhuǎn)換，傳輸給微處理器，微處理器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，把經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)傳輸給激光驅(qū)動(dòng)器，激光驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)過無衍射光發(fā)生裝置，以無衍射光的形式發(fā)送出去；光電接收把接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過放大電路、整形電路、解調(diào)模組和接口電路把收到的信號(hào)傳送給上位機(jī)。上位機(jī)比較發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出誤碼率。

1無衍射光的產(chǎn)生

本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的圓錐透鏡法產(chǎn)生無衍射光。如圖2所示，激光器發(fā)出的激光通過準(zhǔn)直透鏡，之后入射圓錐透鏡，圓錐透鏡后的光場(chǎng)在最大無衍射距離內(nèi)滿足貝塞爾分布。無衍射距離zmax由圓錐透鏡的孔徑半徑a和底角φ決定［4］。激光器輸出波長(zhǎng)為635nm，工作電流小于70mA，出瞳功率為2mW，工作溫度范圍為－10℃～40℃。準(zhǔn)直透鏡放大倍數(shù)為5×～10×，圓錐透鏡的規(guī)格為Φ30，α＝0．5°。產(chǎn)生的無衍射光最大傳輸距離超過3000mm。

2調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用微處理器進(jìn)行雙頭脈沖間隔調(diào)制（DH－PIM）及其解調(diào)。DH－PIM的每個(gè)符號(hào)所包含的時(shí)隙數(shù)是變化的，并且采用兩種起始脈沖。調(diào)制符號(hào)Sk（k為符號(hào)所表示的十進(jìn)制數(shù)）由頭部時(shí)隙和后續(xù)的m個(gè)空時(shí)隙組成。頭部時(shí)隙由α＋1個(gè)時(shí)隙組成（α為整數(shù)），兩種頭部形式為H1和H2。H1起始脈沖寬度為α／2個(gè)時(shí)隙，其后為（α／2）＋1個(gè)保護(hù)時(shí)隙；H2脈沖寬度為α個(gè)時(shí)隙，其后為1個(gè)保護(hù)時(shí)隙。當(dāng)k＜2M－1時(shí)，Sk符號(hào)的頭部時(shí)隙為H1，反之為H2。DH－PIM調(diào)制不需要時(shí)鐘的同步，具有較好的功率利用率、較高的傳輸容量、較小的誤時(shí)隙率等優(yōu)點(diǎn)［13］。

3激光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

激光驅(qū)動(dòng)器選擇MAXIM公司MAX3766，它為622MbpsLAN／WAN激光驅(qū)動(dòng)器，包括激光調(diào)制器、自動(dòng)功率控制、安全關(guān)閉等組件。激光驅(qū)動(dòng)模塊如圖3所示，調(diào)整BIASMAX端口電阻阻值，設(shè)置激光器靜態(tài)工作電流（即偏置電流），偏置電流要略小于激光器閾值電流；調(diào)整MOD端口電阻阻值，設(shè)置調(diào)制電流。

4接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收系統(tǒng)的作用是檢測(cè)光信號(hào)，將受調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大、整形、解調(diào)等過程后發(fā)送給計(jì)算機(jī)。接收系統(tǒng)由光電探測(cè)器、放大電路、整形電路、解調(diào)模塊等組成。光電探測(cè)器采用PIN光電二極管，其使用簡(jiǎn)單，靈敏度較高。本系統(tǒng)中采用KODENSHI公司生產(chǎn)的HPI－1KL5作為光電探測(cè)器，它屬于硅PIN光電二極管，感光波長(zhǎng)范圍為450nm～1050nm。放大電路由兩級(jí)集成運(yùn)放組成。第一級(jí)為電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，其可以看作是電流－電壓轉(zhuǎn)換電路，把光電二極管的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；第二級(jí)同為電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路，把第一級(jí)放大電路的輸出反相并放大。由于光信號(hào)在大氣中傳播，造成的信號(hào)衰減及噪聲，導(dǎo)致信號(hào)畸變，所以需要對(duì)經(jīng)過放大電路的信號(hào)進(jìn)行整形。經(jīng)過整形的信號(hào)要滿足TTL電平。整形電路由AD790電壓比較器實(shí)現(xiàn)。AD790的響應(yīng)時(shí)間為40ns。基準(zhǔn)電壓選擇2V。當(dāng)輸入電壓大于2V，輸出4．7V，當(dāng)電壓小于2V，輸出0．5V。經(jīng)過整形的信號(hào)傳輸給信號(hào)解調(diào)模塊，解調(diào)之后，通過串口傳輸給上位機(jī)。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)示意圖如圖4所示，計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過微處理器調(diào)制，激光驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，經(jīng)過無衍射光發(fā)生光路后，由PIN光電二極管接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大整形及微處理器解調(diào)，最后又串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)接收。計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出無衍射光通信系統(tǒng)的誤碼率。

1無衍射光產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)產(chǎn)生的近似無衍射光的光斑如圖5所示，在1000mm和2000mm處的無衍射光斑基本相同，表明無衍射光在傳輸過程中光場(chǎng)分布基本不變，光斑的略微變形是由于圓錐透鏡加工誤差、準(zhǔn)直透鏡的焦距誤差、激光器輸出不穩(wěn)定等因素造成的。

2傳輸性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)使用誤碼率對(duì)基于無衍射光的自由空間光通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸性能評(píng)價(jià)。誤碼率是指在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，數(shù)字碼元誤差的數(shù)量與數(shù)字碼元總數(shù)之比［14］。在本實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)，經(jīng)過此通信系統(tǒng)后返回計(jì)算機(jī)，之后對(duì)比發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)，計(jì)算出誤碼率。調(diào)整激光器驅(qū)動(dòng)電流，使半導(dǎo)體激光器輸出功率分別為2mW和0．8mW，通信比特率設(shè)為9600bps，在不同的通信距離下的誤碼率如圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)激光器輸出功率設(shè)為2mW和0．8mW時(shí)，在無衍射光最大傳輸距離內(nèi)，誤碼率都能滿足要求。當(dāng)激光器輸出功率為2mW時(shí)誤碼率的波動(dòng)不大，誤碼率隨傳輸距離的變化較小。誤碼率主要由光電接收器件的分辨力、激光驅(qū)動(dòng)裝置和信號(hào)檢測(cè)電路的誤差、串口通信的誤碼等因素引起。當(dāng)激光器輸出功率為0．8mW、傳輸距離大于1500mm時(shí)，誤碼率明顯增大，這主要是由于激光器的輸出功率較小，在傳輸至較遠(yuǎn)距離時(shí)光強(qiáng)較弱，導(dǎo)致PIN光電二極管接收到的高低電平不易分辨，使傳輸系統(tǒng)的誤碼率上升。因此在合理的范圍內(nèi)提高激光器的輸出功率，或者使用更高靈敏度的光電接收器件和更精密的檢測(cè)電路，都可以有效地改善通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

篇9

【關(guān)鍵詞】紅外光傳輸;SPWM調(diào)制;解調(diào);中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置

1.引言

隨著年齡的增長(zhǎng)，人們的聽力日趨下降，獲取信息的能力也在減弱。紅外光音頻傳輸裝置的出現(xiàn)為聽力衰弱的朋友們帶來了福音。聽覺好的成年人能聽到的聲音頻率常在30～16000Hz之間，老年人則常在50～10000Hz之間。本設(shè)計(jì)在紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體的基礎(chǔ)之上，將音頻信號(hào)通過紅外光進(jìn)行傳輸。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置的意義在于將紅外信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，使它克服了只能直線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。此裝置刻意將左右聲道的立體聲音效合并為單聲道音頻信號(hào)，有效地降低了節(jié)目中背景音樂及其它聲音，使得講話的聲音更為明顯和突出。

2.系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

立體聲音頻信號(hào)被混合在一起形成一個(gè)單聲道信號(hào)，在發(fā)生裝置進(jìn)行放大、濾波、比較等一些列處理，由此產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)晶體管通過LED發(fā)射紅外光。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置將光電二極管接收到紅外LED發(fā)射的PWM紅外信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、濾波、放大再輸出，并且改變90度的角度。光電二極管接收傳入PWM紅外信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，放大、濾波、最后輸出音頻信號(hào)，解調(diào)的另一路信號(hào)在液晶上進(jìn)行溫度顯示。接收裝置在6V電源供電下經(jīng)過放大、低通濾波后，從耳機(jī)放出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Structure diagram of the system function

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 紅外發(fā)射裝置

傳入的兩路立體聲音頻信號(hào)產(chǎn)生的電壓信號(hào)被混合在一起以形成一個(gè)單聲道信號(hào)，依次通過同相放大電路以及濾波電路得到一路正弦波信號(hào)。另一路由施密特觸發(fā)器與D類觸發(fā)器產(chǎn)生一路方波信號(hào)，通過積分電路生成90KHz三角波形。LM311電壓比較器設(shè)計(jì)運(yùn)行在更寬的電源電壓：從標(biāo)準(zhǔn)的±15V運(yùn)算放大器到單5V電源用于邏輯集成電路其輸出兼容RTL，DTL和TTL以MOS電路。此外，他們可以驅(qū)動(dòng)繼電器，開關(guān)電壓高達(dá)50V，電流高達(dá)50mA。因此我們選用LM311作為發(fā)射裝置的比較器。正弦波信號(hào)與三角波一同通過LM311進(jìn)行比較，由此產(chǎn)生的占空比可調(diào)的PWM波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)晶體管通過LED發(fā)射紅外光。

3.1.1 音頻前置放大部分

輸入的左右聲道音頻信號(hào)被混合在一起輸入運(yùn)算放大器，電阻與運(yùn)算放大器構(gòu)成同向比例運(yùn)算電路，增大了輸入阻抗的同時(shí)降低輸出電阻。我們選擇LM833雙音頻運(yùn)放作為核心，將電壓放大。根據(jù)同向比例放大電路[1]：

則信號(hào)被放大23倍。在輸入端引入6V偏置電壓，將音頻信號(hào)墊高，易于與三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生PWM波。由于篇幅有限，此處前放電路省略。

3.1.2 有源低通濾波部分

被放大的音頻信號(hào)依次經(jīng)過兩次濾波被從入比較器。在器件選擇方面我們?nèi)匀贿x用LM833以及通用型低噪聲JFET 運(yùn)算放大器TL072.電路圖如圖2所示。

3.1.3 三角波發(fā)生電路

三角波的作用是用來調(diào)制音頻信號(hào)，對(duì)此有兩方面的要求。其一，調(diào)制后的信號(hào)可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)Nyquist采樣定理[2]，三角波的頻率至少是音頻信號(hào)最高頻率的兩倍，由于人耳的所能夠聽到的聲音頻率范圍20Hz―20KHz，說明三角波的頻率應(yīng)在 40 kHz 以上，為確保音頻信號(hào)的采樣，可取三角波的頻率為 90 kHz;其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會(huì)產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。

在高頻的情況下，產(chǎn)生頻率、幅度穩(wěn)定的三角波，對(duì)一般的波形發(fā)生器來說很難實(shí)現(xiàn)。利用積分運(yùn)算電路可實(shí)現(xiàn)方波―三角波的波形變換。我們將4093B施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì)成方波振蕩器[3]，其可實(shí)現(xiàn)180KHz的方波，之后，使用D觸發(fā)器4013B構(gòu)成2分頻器將180KHz的方波分頻，依次通過積分電路即產(chǎn)生90KHz的三角波。由于篇幅有限，此處三角波發(fā)生電路省略。

3.1.4 PWM波發(fā)生電路與紅外輸出

為了簡(jiǎn)單說明，我們以音頻信號(hào)為單一正弦信號(hào)為例來說明SPWM信號(hào)。等腰三角波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波[4]。當(dāng)三角波的頻率發(fā)生改變時(shí)，輸出SPWM的頻率也隨之改變，同時(shí)也會(huì)影響到輸出電壓的變化。正弦波的幅度發(fā)生變化時(shí)，三角波的交點(diǎn)也將發(fā)生變化而導(dǎo)致輸出脈沖波的寬度發(fā)生變化，最終使得輸出電壓發(fā)生改變。當(dāng)音頻信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)音頻信號(hào)小于三角波信號(hào)時(shí)，比較器輸出低電平。值得注意的是：音頻信號(hào)的幅值不允許大于三角波信號(hào)的幅值，否則，結(jié)果是一個(gè)錯(cuò)誤的PWM信號(hào)。如圖3所示。

圖3 SPWM波形成[4]

Fig.3 SPWM wave form[4]

經(jīng)過放大、濾波后的音頻信號(hào)從B端與三角波信號(hào)從反相端進(jìn)入，通過LM311電壓比較器比較，產(chǎn)生90KHz的SPWM波，從而完成調(diào)制。選擇通用LM311作為電壓比較器。產(chǎn)生PWM波形的LM311，驅(qū)動(dòng)晶體管BC328為串聯(lián)在一起的6個(gè)LED以及一個(gè)電源指示燈D4工作。如圖4所示。

圖4 音頻信號(hào)的發(fā)射

Fig.4 Transmitting an audio signal

3.2 紅外接收裝置

光電二極管BP104接收到6個(gè)紅外LED發(fā)射的PWM紅外信號(hào)，通過LM833進(jìn)行電流―電壓轉(zhuǎn)換，之后LM833放大電路，再次放大脈沖信號(hào)。根據(jù)反向比例運(yùn)算電路[1]：

因此輸出端放大-10倍。LM311構(gòu)成限幅器的作用，從而再次產(chǎn)生90KHz的PWM信號(hào)。整個(gè)電路需提供6V直流電源供電，如圖7所示。

生成的PWM波還需通過兩次低通濾波，進(jìn)行解調(diào)，最后通過音頻放大器進(jìn)行放大，最后分為兩路輸出。低通濾波器選用LM358AD，音頻放大器選擇LM386N。

3.3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置

中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置將紅外接收裝置的裝換、放大、限幅電路與紅外發(fā)射部分的三極管驅(qū)動(dòng)光電二極管進(jìn)行組合連接。即圖5中Vout與BC328相連接構(gòu)成，用5V直流單電源供電，所以最多只能驅(qū)動(dòng)3個(gè)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過接收部分輸出信號(hào)。

4.功能測(cè)試和結(jié)果分析

當(dāng)接入手機(jī)音頻信號(hào)，在紅外發(fā)射端端波形較好。紅外接收端可以聽到傳輸過來的音頻信號(hào)，將發(fā)、收裝置角度調(diào)整后，即可聽到清晰聲音，無明顯失真、噪音干擾。當(dāng)接收信號(hào)改到800Hz單音信號(hào)時(shí)，在8Ω的耳機(jī)電阻負(fù)載上，輸出電壓有效值不小于0.4V。不改變電路狀態(tài)，當(dāng)減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至0V，采用低頻毫伏表（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應(yīng)范圍低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V。

但存在一點(diǎn)不足之處，由于中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置電壓過低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)強(qiáng)度可能有些偏小，造成接收部分不易接收信號(hào)。可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)提升電源電壓，以增加發(fā)射功率。

參考文獻(xiàn)

[1]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京.高等教育出版社，2006.

[2]何子述.信號(hào)與系統(tǒng)（第一版）[M].北京：高等教育出版社，2007，5.

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王賢江.高效AC_DC開關(guān)電源[D].成都：電子科技大學(xué)，2013（3）.

作者簡(jiǎn)介：

篇10

關(guān)鍵詞：亮度；人眼仿真；傳感器；背光源；測(cè)量；LX1970

1主要特點(diǎn)

目前，筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PersonalDigi-talAssistant，簡(jiǎn)稱PDA）、平板電視和手機(jī)均采用液晶顯示器（LCD）。但LCD本身并不發(fā)光，它只反射或透射外界光線。為便于在光線較暗的環(huán)境中或夜間觀察屏幕，就必須給LCD加背光源以增強(qiáng)對(duì)比度。利用可見光亮度傳感器就可根據(jù)環(huán)境亮度來自動(dòng)調(diào)節(jié)背光源（一般為白色發(fā)光二極管）的亮度，這樣不僅能獲得最佳顯示效果，還能降低背光源的功耗。

圖1

美國(guó)微型半導(dǎo)體（Microsemi）公司推出了一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見光亮度傳感器LX1970，利用該器件可構(gòu)成平板顯示器的亮度監(jiān)控系統(tǒng)。此外，它還可用做戶外照明燈（例如路燈）控制器，以使照明燈能在黃昏時(shí)自動(dòng)開啟，清晨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

LX1970型可見光亮度傳感器的性能特點(diǎn)如下：

內(nèi)含PIN型光電二極管、高增益放大器和兩個(gè)互補(bǔ)式電流輸出端該光電二極管陣列的光譜特性及靈敏度都與人眼十分相似，因而能代替人眼去感受環(huán)境亮度的明暗程度，并將接收到的可見光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，進(jìn)而對(duì)背光源的亮度進(jìn)行控制。

峰值發(fā)光波長(zhǎng)為520nm，電流靈敏度為0．38μA／lx，暗電流為10nA。

非線性誤差小，重復(fù)性好。兩個(gè)互補(bǔ)輸出端的電流不對(duì)稱度僅為±0．5％，可任選一端作為輸出。

電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用方便。無須使用濾光片即可有效衰減紫外光及紅外光。

微功耗，低壓供電。采用2～5．5V電源，電源電流可低至85μA（典型值）。工作溫度范圍為－40℃～＋85℃。其外形尺寸僅為2．95mm×3mm×1mm。

2LX1970的工作原理

LX1970采用MSOP－8表貼塑料封裝，其引腳排列和內(nèi)部框圖如圖1所示。

LX1970芯片正面有一個(gè)面積為0．369mm2的受光區(qū)。UDD和USS分別接電源的正、負(fù)極。SNK為電流接收器的引出端，SRC為輸出電流源的引出端。其余NC均為空腳。芯片工作時(shí)由光電二極管產(chǎn)生的光電流經(jīng)過高增益放大器送至兩個(gè)電流輸出端，其中一個(gè)是電流吸收器的引腳SNK，另一個(gè)是輸出電流源的引腳SRC，二者的電流分別為ISNK和ISRC。其中ISNK為灌入芯片中的電流，簡(jiǎn)稱灌電流。這兩種電流信號(hào)通過R1、R2可分別轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)USNK、USRC。改變R1（或R2）的電阻值可調(diào)整電壓增益，電阻值允許范圍是10kΩ～50kΩ。C1和C2為濾波電容，可用來決定傳感器的響應(yīng)時(shí)間。輸出USNK與環(huán)境亮度成反比，USRC與環(huán)境亮度成正比，二者呈互補(bǔ)輸出特性，可任選一路信號(hào)作為輸出電壓UO。

LX1970的相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線如圖2中的粗線所示，細(xì)線是人眼的響應(yīng)曲線（峰值波長(zhǎng)為550nm）。由圖可見，LX1970接收光的波段與人眼非常相近，并且也象人眼一樣靈敏。其峰值波長(zhǎng)λP為520nm，波段大約為350nm～800nm，能覆蓋整個(gè)可見光波段（400nm～700nm），而紫外光波段（＜400nm和紅外光波段（＞700nm）都很窄，這表明它對(duì)可見光的接收靈敏度最高。LX1970在峰值波長(zhǎng)為520nm時(shí)的靈敏度K為0．38μA／lx，即照度每變化1lx（勒克斯），輸出電流變化0．38μA。將照度轉(zhuǎn)換成亮度L（其單位是cd／m2）時(shí)，可假定光線照射在一個(gè)能滿足全反射條件的理想平面上，然后根據(jù)1lx＝0．314cd／m2進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可得到亮度值。通常，可用實(shí)驗(yàn)的方法來測(cè)定亮度與照度的比例系數(shù)。

3LX1970的典型應(yīng)用

3．1白光亮度測(cè)量電路

測(cè)量白光亮度的電路如圖3所示。該電路在工作時(shí)先由RCC、電流源和白光LED組成的光源發(fā)射出可見光，再由LX1970接收該可見光并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。接下來在SNK端、SRC端各串聯(lián)一塊微安表以分別測(cè)量光電流ISNK和ISRC，這樣微安表的讀數(shù)值就反映了亮度的高低。

3．2LCD背光源亮度自動(dòng)控制電路

當(dāng)環(huán)境亮度明顯變暗時(shí)，LX1970能自動(dòng)開啟LCD的背光源以使白色LED發(fā)光。其亮度自動(dòng)控制電路如圖4所示。圖中電阻R1和R2用于設(shè)定控制亮度的最小值與最大值。改變電容器C的容值可調(diào)整響應(yīng)時(shí)間并能濾除50Hz電網(wǎng)干擾。LX1970采用＋3．3V～＋5V電源。若只使用SRC端，則SNK端應(yīng)懸空。假定需用0．25V～1．25V的輸出電壓來驅(qū)動(dòng)白光LED，0．25V代表LED的亮度最小值，1．25V代表亮度最大值那么，可由下式確定R1與R2的比例關(guān)系

R1＝[(3／0．25）－1]R2＝11R2

可根據(jù)LX1970在給定亮度下的輸出電流最大值（ISRCmax）來計(jì)算R2值。實(shí)際上在ISRCmax為50μA時(shí)R2為25kΩ，這樣代入上式即可得到275kΩ的R1值。

3．3LX1970評(píng)估板的設(shè)計(jì)

利用LX1970評(píng)估板（EvaluationBoard）不僅能檢查出LX1970的質(zhì)量好壞，還可對(duì)LCD背光源亮度控制電路進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，以便為開發(fā)新產(chǎn)品提供依據(jù)。此外，評(píng)估板上的元器件布局以及印制電路的設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。LX1970的評(píng)估板電路如圖5所示。它具有以下特點(diǎn)：

第一，可利用一個(gè)轉(zhuǎn)盤（上面開著7個(gè)不同孔徑的小孔）來改變LX1970入射光窗口的大小，轉(zhuǎn)盤與傳感器一同裝在機(jī)殼內(nèi)；

第二，通過電位器RP1～RP3調(diào)整放大器的增益，再經(jīng)過LX1970驅(qū)動(dòng)兩只白色發(fā)光二極管（LED1、LED2）發(fā)光，以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同的環(huán)境亮度條件；

第三，分別改變跳線器J1～J4的接線方式，以對(duì)不同電路進(jìn)行隔離或偏置；

第四，該電路有4個(gè)可選擇的控制端口，包括SRC的分壓二極管引出端口（A）、SRC的電壓調(diào)整端口（B）、SRC的固定電壓端口（C）和SNK的電壓調(diào)整端口（D）。此外，還有兩個(gè)輸出端（SRC、SNK）其中，端口A為下拉端（經(jīng)外部電位器接地，可代替LX1970手動(dòng)調(diào)整亮度）。端口B、C、D均為上拉端（經(jīng)外部電路接正電源或其它正電壓）。端口B和端口C用于設(shè)置最低輸出電壓（將RP1調(diào)至最?。┗蛘{(diào)節(jié)SRC端的輸出。端口D用來設(shè)置最高輸出電壓（將RP2調(diào)至最大）或調(diào)節(jié)SNK端的輸出。