光电二极管范文

导语：如何才能写好一篇光电二极管，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关健词： 光电二极管；光电传感器；报警电路

随着自动化等新技术的发展，传感器技术的应用已渗透到各个领域。从茫茫太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。因此，传感器技术也就成为各大中职院校相关专业的一门核心课程。目前，中职学校的核心课程正趋于模块化、项目化、“教、学、做”合一的方向发展，为此，笔者在传感器教学中结合项目教学法，增加了设计型和应用型实验，将光电二极管在煤气熄火报警电路中的应用大胆地融入到光电传感器一体化教学中，以寻求最佳的教学效果。

1 光电传感器与光电二极管

光电传感器是基于光电效应制成的传感器，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，其核心是光电元件。光电传感器首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。常用的光电元件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、光电倍增管等。

原理讲明，接下来则利用学生喜新奇、好动手的特点，带领学生制作煤气熄火报警电路。

2 光电二极管在煤气熄火报警实验电路中的应用

现在许多家庭都使用了煤气炉或液化气炉，可是因使用不当而造成的事故却时有发生。譬如煤气炉在烧水或做饭期间，往往因开水及稀饭外溢而使炉火熄灭，如无人发现，将因煤气大量外逸而导致火灾，甚至爆炸。虽然某些高级煤气炉有自动熄火控制保护装置，但价格高难以普及。那我们何不自己动手制作一台既简单又实用的煤气熄火报警器呢？煤气熄火报警器能够有效监视煤气燃烧情况，在炉火意外熄灭时，能自动发出强烈的报警信号，提醒主人赶快关闭煤气开关或重新点火，以免发生危险。因此，在现有炉具上安装煤气意外熄火报警电路是十分必要的。学生听了这样的实验导入，自然摩拳擦掌、跃跃欲试了。

2.2 元器件选择

光电二极管可用2CU或2AU等系列光敏管，W可用WH7或WSW型微调电位器。其余元件可参照图中即可。安装前要检查元器件的好坏和极性，剔除并更换不符合要求的器件。

2.3 电路组装

图5所示是本线路的印制板，尺寸为30×50mm2。也可让学生利用Protel软件自行设计制作电路板。最后根据元器件的安装工艺要求及原则，将各元件有序地安装到印制板上，并提醒同学注意安全。

2.4 电路调试

1）接通电源，用导线将VT2的集电极和发射极短接，此时扬声器能发出报警信号，说明音频振荡器正常。若不能正常发声，而电路又焊接正确的话，应检查由VT3、VT4所组成的振荡电路是否存在有错焊、虚焊、漏焊等现象。

2）在音频振荡器正常工作的基础上，用打火机模拟炉火并距光电二极管30cm～50cm处点燃，此时调整电位器W使报警器不响；当打火机熄灭时，扬声器应能立即发声，则说明电路正常。为了减小外来光对报警器的干扰，可在光电二极管的前方加一块照相机镜头用的红色滤光片。

报警电路安装实验成功后，可将它装在一个小盒子内，制作成个人作品。可用于学校成品展示，也可家庭使用。在实际使用时，将光电二极管安装在离火焰30cm～50cm处，并对准炉火。当不用炉火时，打开报警器的电源开关即可。

实验完成后，可向学生提出问题：煤气熄火报警电路中的光电二极管是否可以用光电三极管或光敏电阻来替代，电路应需如何改进。这样，由浅入深，循序渐进，可发散学生思维，以增强学生创新意识和竟争意识。

总之，为提高中职学生的实践创新能力和综合应用能力，在传感器应用技术的课堂教学中，应大胆创新，将各类传感器的小应用、小制作，如“用霍尔开关制作开门乐铃”、“用光敏电阻制作有毒气体报警器”、“用压电传感器制作防盗报警器”等内容融入到教学中，并走产品项目和实境教学相结合之路，实现专业与工作岗位对接、实验室与生产车间对接，让学生在实操过程中研究现场实际问题，体验真实的工作情境，执行完整的作业流程，从而创建真实情境下的“教、学、做”合一。这样才能使我们的教学和课程改革稳步有序地向前发展，才能培养出符合市场需要的高素质技能型人才。

参考文献：

[1]刘绪军，《职校电子技术》修订本，家电维修杂志社，2010.3.

[2]顾波、张海平主编，检测技术基础及应用，北京：中国电力出版社，2010.

[3]梁森、王侃夫、黄杭美编著，自动检测与转换技术（第2版）北京：机械工业出版社，2010.8.

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【关键词】光电探测器 光电转换 放大电路 PIN

1引言

随着光纤通信的快速发展，光纤测试设备（光功率计，光时域反射仪，光纤故障诊断仪，光衰减器等）的需求也在逐渐增长[1]。这些仪器设备是光纤通信系统在日常维护中是必不可少的。这些仪器设备内部都需要用到光电探测器电路，光电探测器及其设计优良的检测电路对于测量仪器性能来说尤为重要。

2光电探测器的应用分析

光电感应器件又称光电探测器。光探测器就是把光脉冲信号转换成为电信号。光探测器通过感受入射于其上的功率变化，并把这种光脉冲功率的变化转换成为相应变化的电流信号[2]。目前常用的半导体光探测器主要有具有本征层的光电二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管等，其中前两种应用最为广泛。其中PIN光电二极管是在P-N结光电二极管的基础上，为了得到高速响应，通过减小二极管的PN结电容，并在大量掺入杂质的P型和N型硅片层之间插入高阻抗的本征半导体材料层，从而提高了灵敏度和响应速度，其性能指标均超过P-N结光电二极管，得到了广泛使用；雪崩光电二极管APD，在同样负载条件下，具有高灵敏度，虽然具有内增益可大大降低对前置放大器的要求，但却需要上百伏的工作电压；另外，其性能与入射光功率有关，通常当入射光功率在1nW至几W时，倍增电流与入射光具有较好的线性关系，但当入射光功率过大，倍增系数M反而会降低，从而引起光电流的畸变。测量表明，只有当入射光功率小于10-5W时，光电流二次畸变才小于-60dB。并且，其特性随环境温度的变化而变化。因此，PIN光电二极管可作为光功率和光纤故障诊断仪的光电转换器。

3光电探测器的选择

目前在光通信上被广泛采用光波长为1310nm与1550nm，InGaAs型的PIN光电二极管更适合于此类波长。以武汉昱升光器件有限公司的YSPD728-G6型号光电二极管为例。该二极管是具有波长范围800-1700nm ，FC/ST/SC三种适配器可更换，响应度大于0.85A/W等特点的插拔式同轴探测器，具有响应度高、暗电流小、线性度高、稳定度高、FC/ST/SC三种适配器可更换等特点，这些特点在设计光功率计及光纤故障检测仪中带来很大的方便。

4 光电探测器放大电路设计

通过对光电探测器电路设计的测试，其电路增益达到100倍以上，电路带宽50MHz，探测器灵敏度高，能探测到微弱的光信号，如光时域反射仪需要探测的背向瑞利散射光信号，其性能参数基本达到光功率计及光时域反射仪等光纤测量仪器的设计需求，具有一定应用价值。

参考文献：

[1]张明德.光纤通信原理与系统[M].南京：东南大学出版社 2003.9.

[2]微弱激光功率计研究[D].河北工业大学.2007

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关键词：激光测距机 原理 系统设计

中图分类号：TN249 文献标识码： A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0066-01

1 总体介绍

首先，系统初始化，当将焦距调节到待测目标后，由系统的处理器发出控制信号到触发电路，发出激光脉冲，同时计数单元开始计数，同时开中断，等待返回的激光脉冲信号。当接收到信号后，关中断，同时将计数单元的数据传送给处理器进行处理，并将结果显示出来。

2 系统控制单元

为了提高系统的测量精度，就需要系统能够进行高速测量和数据采集，在本系统中，我们选择的是ARM7TDM1的ADUC7026ARM7控制板。其上集成有16/32位MCU和一个多通道模数转换器以及Flash/EE。芯片上有自锁相环和带振荡器，能够产生 MHZ的时钟。并且处理器还可以通过编程的方法得到想要的工作频率。片上的MCU型号为ARM7TDMI，处理速度能够达到 MIPS，片上自带 KB的Flash存储器和 KB的SRAM。

3 系统发射单元设计

3.1 发射单元原理

系统的发射单元主要是由驱动电路和激光发射机组成。当系统发出发射指令后，经由驱动电路驱动激光发射器，向目标发射激光。其中，主要设计部分是驱动电路部分。在驱动电路部分，要求电源能够在低负载上产生瞬时电流脉冲，以便于控制激光二极管的发射功率。同时，又要求其能够产生幅度足够大的脉冲电压。在满足以上两点的基础上要加设一个对激光二极管的过流与最大反冲电压的保护部分。故发射单元的驱动部分主要包括电源、时基电路、窄脉冲形成电路以及脉冲电流输出放大电路。

3.2 系统的脉宽整形调节单元

由激光二极管的的特性可知，激光二极管的发射功率与电流的大小和工作温度有关。若想使得激光器发射恒定功率的激光，就需要对温度与电流的大小进行控制。这就需要在系统中设计温度补偿电路与电流反馈电路。这不仅增加了成本，而且使得电路复杂。我们选择脉冲电流触发的方法，成功的避免了上述的问题，同时能够满足系统精度的要求。

3.3 系统的驱动电路单元

系统的驱动电路包括电源单元、时基电路、窄脉冲形成电路以及脉冲电流输出放大电路。我所选择的半导体激光器是PGEW1S09。

当窄脉冲产生后，由于其电流和功率较小，需要经过功率放大电路来对其放大，从而能够驱动激光器发射激光。为了提高系统可靠性，应选用集成电路来作为驱动部分。我所选择的驱动器是由MICREL公司生产的型号为MIC4452的一款高效率的驱动芯片。

4 系统接收单元设计

4.1 系统接收单元原理

接收单元模块主要由光电转换器、前置放大器电路、主放大器电路和电压比较电路等组成。其中光电转换器的作用就是将已经接收到的脉冲信号转换为电信号，并且对检测信号进行处理的装置。由于发射单元发射的激光脉冲信号在发射源与待测物间来回往返的进程中，由于空气折射率的变化、其他噪声信号的干扰，就会严重影响信号的强度，使其变得很微小，所以为了保证测距精度的要求，就需前置放大器对其进行放大。另外对于所测距离的远近和反射回来的激光信号的强弱的关系，还需考虑将发射器的发射信号控制在一定幅度范围内，从而扩展了测量范围的大小，进而减少了误差，提高了精度。

4.2 光电探测器件选择

准确及时的接收到反射回来的脉冲信号，是测距系统性能精确的重要保障，但是我们知道反射回来的脉冲信号比较微弱，而环境中又存在这各种噪声，这些噪声干扰对反射脉冲信号的接收能力提出了很高的要求，在我们器件选择上就需要有所体现。而对于光电二极管的选择，我们对其的要求就是其对发射单元发射出的光源波长范围内的具有较高的响应度，而且具有充足的带宽来处理所接收到的数据。

PIN型光电二极管和雪崩光电二极管是以半导体PN结光电二极管为基础发展的。半导体PN结主要由P型和N型半导体材料形成的PN结构成，其具有体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等特点。

雪崩（APD）光电二极管和PIN型二极管都是光电转换器件，二者都可以在特定的工作场合完成光电任务。然后二者又有很大的区别，PIN型光电二极管每吸收一个光子，它最多产生一个“电子-空穴”，所以它自身没有增益。而崩光电二极管在入射光照射下一个光子产生的那一对电子-空穴在外加电场的作用下加速及碰撞过程中会产生多对电子-空穴，其自身带有增益。APD转换器与PIN转换器相比较，具有载流子倍增效应、探测灵敏度高的优点，而且其更适合用于远程测距，在本系统中即为远距测距，所以我们在此选用APD光电二极管作为探测器。

4.3 前置放大器

前置放大器的选择，我们主要考虑其噪声影响和带宽指标，而低噪声与高带宽的前置放大器选择是我们所必须兼顾的。从前面的雪崩光电二极管转换过来的电信号经此放大器放大后，从而转换为我们需要的信号，也就是下一级所需要的信号，容易精确测量的信号。

通常为了减小前置放大器发噪声，往往会采用增加输入电阻的方式。然而较大的输入阻抗会限制带宽，这样就需要对高阻抗放大器的频率进行补偿。然而带有时间游动补偿和外壳恒温控制点雪崩光电二极管，不会受到波信号的变化而引起的测距偏差的问题，使其具有了更大动态范围的应用效果。

参考文献

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osie全称为“OPPOScreenImageEngine”，即OPPO超清视效，该功能是OPPO自主研发的视觉优化技术，通过软件层面实现业界首个对短视频画面的视觉优化。

OPPO是一款主要以拍照作为亮点的手机品牌，一直专注手机拍照的技术创新，开创了“手机自拍美颜”时代。对于OPPO来说，它的专利更多的是集中在了拍照、旋转摄像头、VOOC闪充等领域。

双核对焦是OPPOR9s在索尼IMX398传感器的基础上搭载的一种对焦技术。“双核”指的是把像素当中的光电二极管一分为二，让分开后的光电二极管能独立接收光线，形成的相位差就是驱动马达进行对焦的“依据”，而独立的2个光电二极管在成像时可作为一个像素进行输出。

（来源：文章屋网 ）

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关键词：手势识别；非接触；红外；传感器

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-0-03

0 引 言

人机交互技术的发展大大增强了应用系统的智能化设计[1]，手势识别[2]也逐渐成为人机交互的核心技术。随着人机界面技术和设计理念的进步，红外线接近感应器正逐渐成为非接触式手势识别用户界面的创新点。早期的传统红外线接近感应系统由老式光电探测器和光电断路器组成，其触发方式基于是否移动或中断，但这些器件在应用方面受感应器尺寸、功耗和可配置性的限制[3-7]。相比于这些早期的红外线接近传感器，Silicon Labs的Si1143传感器不仅体积更小、功耗更低，还可以驱动多个红外线发光二极管，可实现高级的多维手势输入功能。本文结合面向人机界面应用的Si1143传感器的优势，给出了一种非接触式手势识别系统的设计方案。该方案支持两个和三个LED实现更复杂的接近传感器集成电路，使人们能够更方便、更安全、更愉快的通过非接触手势识别用户界面。

1 Si1143的基本特性

Si1143是基于反射的低功率红外线临近和环境光传感器，其结构框图如图1所示。它包括ADC转换器、可见光光电二极管、红外线光电二极管、数字信号处理器以及集成的红外线LED驱动器等。工作时LED发送红外光被物理反射回来后，由可吸收波长850880 nm的红外光电二极管接收，而环境光则由可接收波长在500600 nm范围内的可见光光电二极管接收，然后转化为电信号经AMUX送入ADC进行数据转换，进而通过I2C总线将数据传输至控制器。接近传感器的检测距离和灵敏度由系统的信噪比（SNR）决定，SNR越高，距离越远。多种可变因素影响系统的SNR，包括环境噪声/光线补偿、光电二极管灵敏度、滤波和模数转换器（ADC）架构[8]。Si1143的联合架构优化具有非常高的系统SNR，从而使Si1143接近传感器具有较远的感应距离、较高的灵敏度和较快的数据采集速度。

Si1143在广泛的动态范围和包括阳光直射在内的各种光源下可提供优异性能，高灵敏度支持在半透明的产品覆盖物后面灵活放置红外传感器。光电二极管响应和关联的数字转换电路对人造光闪烁噪声和自然光颤动噪声具有优异的抗扰性。Si1143完备的IR感应架构也可在日光下工作[9]，其包含一个环境光传感器，能够感应高达128 kiloLux的光照度。此外，Si1143的先进架构能够在25 s内完成接近感应测量，减少了极其耗电的红外发光二极管的开启时间，从而实现了低功耗。

Si1143包括最多3个红外线LED驱动器，可以自由实现检测距离超过50 cm的一维HI系统或检测距离高达15 cm的具有手势感应能力的多维系统。多个红外线LED灯驱动器能够实现高级动作和手势感应，Si1143支持3个LED驱动，支持多轴式临近运动探测，能够在多维非接触式控制中实现创新的三维动作感应[10]。

2 非接触式手势识别系统组成

图2所示为Si1143与控制器的连接电路示意图。Si1143可与Silicon Labs提供的多种电容式触摸感应微控制器相结合，包括C8051F700、C8051F800或C8051F99x处理器，组成非接触式的手势识别系统，并能用于多种动作和手势检测，以及目标物体距离校准应用。Si1143器件的感应模式提供有用信息给MCU，用以确定背景光类型，如日光、荧光灯光或白炽灯光。这种信息具有广泛应用，可改善IR接近感应、优化红外感应功耗、增强显示设备的背景亮度调节功能以及控制系统内的其他设备。

3 红外技术实现手势感应

Si1143接近环境光传感器适用于非接触式手势感应，如读者翻页，滚动平板电脑或GUI导航。Si1143可提供高达三个LED驱动器，并可在715 cm产品互动区域内感知手势。我们通过使用红外线技术实现动作感应，主要采用基于位置和基于相位的手势感应。

（1）基于位置的手势感应通过计算对象的位置来实现手势感应。

（2）基于相位的手势检测则通过定时信号的变化来判断物体的运动方向。

3.1 基于位置的手势感应

基于位置的运动传感算法涉及三个主要步骤：

（1）将原始数据输入转换成可用的距离数据，

（2）使用距离数据来估计目标对象的位置，

（3）检查位置数据移动的定时，以查看是否有手势出现。

3.2 基于相位的手势感应

基于相位的手势感应包括从原始数据寻找邻近测量和寻找每个LED的定时变化反馈。当手放在LED的正上方，将出现每个LED的最大反馈点。如果手扫过两个LED，可以通过查看其LED首次出现的反馈来确定划过的方向。

3.3 两方法优缺点比较

基于位置方法的优点是可以提供目标的位置信息，并允许系统实现比例控制。基于位置方法的主要缺点是位置计算的精度。位置算法假定LED是球形输出，但在实际应用中LED的输出是圆锥形。该方法还假定LED的整个输出是均匀光强，但实际情况中光强度会衰减。且该方法不考虑目标的形状，一个独特形状的对象会导致位置输出不一致。例如该系统区别不出手和手腕之间的差异，因此涉及该手腕运动的区域检测则不太精确。该方法中提供的位置信息用于低分辨率系统是足够的，但当前的定位算法并不太适合于定点应用。

对于不需要位置信息的应用，基于相位的方法提供了一个非常可靠的方法检测手势。每个手势可以在可检测区域任一入口或出口进行检测，该方法的缺点是不能提供位置信息。这意味着可以实现手势的数量比以位置为基础的方法更有限。相位法只能从检测区域区别出进入和退出的方向，无法检测到可检测区域中的任何运动。

3.4 两方法结合提高手势识别

系统将两种方法结合，弥补了彼此的缺陷。基于位置的方法可提供某些位置信息进行比例控制，基于相位的方法可以用于检测大多数的手势。这两种方法配合使用，可以给手势感应提供强大的解决方案。

4 系统软硬件设计相关

4.1 临近感应

Si1143可以驱动三个单独的红外线LED。将这三个红外线LED放入L形配置中时，可以对三维临近场地内的物体进行三角测量。每当到PS测量时，Si1143会进行多达三次测量，具体依据CHLIST中启用的参数而定。也可以修改这些测量的ADC参数，允许在不同环境光条件下正常运行。在这三次测量中，都可以对LED选择进行设定。在默认情况下，每次测量打开一个LED驱动器，但容易颠倒测量顺序，或让所有LED同时打开。根据情况，可以将每次临近测量值与主机设定的阈值进行比较。

为了动态支持不同的电源使用效率情形，每个输出的红外线LED电流都可以独立设定，可在几毫安到几百毫安之间任意取值，因此主机可以动态地临近探测性能或节能优化。此功能允许主机在一个物体已进入临近范围后降低LED电流，并在采用较低电流设置时仍然可以跟踪该物体。最后通过灵活的电流设置，采用受控制的电流吸收器控制红外线LED电流，从而提高精确度。

4.2 环境光

Si11413具有能够同时测量可见光和红外光的光电二极管，但可见光光电二极管也受红外光影响。测量照明度时需要与人眼相同的光谱响应。如果需要准确测量照明度，则必须补偿可见光光电二极管的额外IR响应。为了让主控制器可以对红外光的影响进行校正，Si1143在单独通道报告红外光的测量结果。单独的可见光光电二极管和IR光电二极管适合于各种算法解决方案。主控制器可以执行两次测量，运行算法推导出与人眼感觉相当的照明度。在主机中运行IR校正算法可以非常灵活地调节系统相关变量。如果在系统中使用的玻璃阻止的可见光超过红外光，则需要调节IR校正。如果主机没有进行任何红外线校正，则可以在CHLIST参数中关闭红外线测量。

4.3 主控制器接口

Si1143的主控制器接口由SCL、SDA及INT三个引脚组成，设计INT、SCL和SDA引脚的目的是使Si1143通过软件命令进入关闭模式，而不会干扰总线上其他I2C器件的正常运行。Si1143的I2C从地址是0x5A，可响应全局地址（0x00）和全局复位命令（0x06），但仅支持7位I2C地址，不支持10位I2C地址。

4.4 运行模式

Si1143的运行模式包括关闭模式、初始化模式、备用模式、强制转换模式和自发模式，在任何时候可以处于众多运行模式中的一种。且必须考虑运行模式，因为该模式对Si1143的整体功耗有影响。

4.5 命令和响应结构

在读取或写入所有Si1143的I2C寄存器（除了写入COMMAND寄存器之外）时都不唤醒内部定序器。Si1143可以在强制测量模式或自发模式中运行。处于强制测量模式时，除非主控制器通过特定命令明确请求Si1143进行测量，否则Si1143不进行任何测量。此时需要写入CHLIST参数，以便让Si1143知道要进行哪些测量。参数MEAS_RATE为零时会将内部定序器置于强制测量模式。处于强制测量模式时，仅当主控制器写入COMMAND寄存器时，内部定时器才唤醒。处于强制测量模式时（MEAS_RATE=0），耗电量最低。当MEAS_RATE不为零时，Si1143在自发运行模式中运行。MEAS_RATE表示Si1143定期唤醒的时间间隔。内部定时器唤醒后，定序器根据PS_RATE和ALS_RATE寄存器管理内部PS计数器和ALS计数器。当内部PS计数器过期时，根据通过CHLIST参数高位启用的测量，最多执行三个临近测量（PS1、PS2和PS3）。顺序执行这三个PS测量，从PS1测量通道开始。同样当ALS计数器过期时，根据通过CHLIST参数高位启用的测量，最多执行三个测量（ALS_VIS、ALS_IR和AUX）。

4.6 命令协议

与其他主机可写入的I2C寄存器不同的是，COMMAND寄存器将内部定序器从备用模式唤醒，以处理主机请求。执行命令时，将更新 RESPONSE寄存器。通常在没有错误时，高四位不为零。为了允许命令跟踪，低四位实施4位循环计数器。一般而言，如果RESPONSE寄存器的高半字节不为零，则表示有错误或需要特殊处理。

5 结 语

在各种多元化的手势识别环境中，当用户的手被占用、出汗或手持物体而不利于触摸屏操作时，就要用到非接触式手势识别。Si114x系列传感器的手势识别系统可以满足非接触的需求。Si114x系列传感器具有高灵敏度、高效节能以及超长感应距离等优点，且封装体积小，易用性高，能够用于手机、电子阅读器、平板电脑、个人媒体播放器、办公设备、工业控制、安全系统、销售终端和其他设备，可实现高级的接近感应和非接触式界面。

参考文献

[1]武霞，张崎，许艳旭.手势识别研究发展现状综述[J].电子科技，2013，26（6）：171-174.

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光传感器，也称为光探测器，可以生长在各种不同的衬底上：锗、砷化镓铟、磷化镓以及硅。所有这些光传感器都具有可变的光谱和时间响应及应用功能，但是这类非硅基传感器的应用空间相对较窄，而硅基传感器则广泛适用于医疗、工业及商业等领域。

硅基光探测器，比如集成了RGB滤波器的TAOS TCS230色彩传感器，为用户提供了众多选项，以适应其广泛的应用领域。

与其他光探测器相比，硅基光传感器不仅具有更广泛的用途，而且它们与其他电路的集成也非常容易，通常这使得它们成为更节省成本的解决方案。这也是它们的采用率如此之高的部分原因。

尽管硅基光传感器应用广泛，但能否选择到最合适的该种仪器将对设计性能产成巨大的影响。幸运的是，根据大量应用，现在已形成了用于选择集成硅基光传感器的通用标准。

通用标准

在硅基IC探测器领域，为特定的应用选择最适合的探测器需要考虑诸多因素。这些因素包括光转换的类型、转换速率以及光谱响应。

集成的光传感器可以将光转换成不同种类的输出，包括将光转换成电流(LTC)，电压(LTV)，频率(LTF)以及数字信号(LTD)。它们对光做出响应并以快慢不等的相应速度输出，速度(响应时间)从几毫秒到几纳秒不等。

硅基探测器的光谱响分布于电磁频谱近紫外(300rim)到近红外(1100nm)这一范围内，包含了可见光(400～700nm)。应当注意的是，在这一范围内，光谱响应并不一致。

虽然上述3项标准并不是选择光传感器时需要考虑的唯一因素，但它们极大地缩小了选择范围，这样可以对相似的器件类型使用最后的标准(比如成本和封装)进行选择。

光转换

LTV和LTC器件分别将光能转换成电压和电流输出。这两种器件有许多相同的应用并可以交互使用。所以，请记住，’在下面有关LTV器件的讨论中，如果你使用电流替换电压，那么讨论结果也将适用于LTC器件。

LTV器件在感应到光的强度时，它的输出电压会增大或减小。器件的动态范围是介于最小和最大输出电压之间的范围。最小的电压等级／输出称为暗电压(Vd)，出现在输入光强度为0的时候。最大或饱和电压级别对应于光电二极管能够转换的最大光能量的输入；即使光能量输入超过该值，输出电压仍将保持不变。

LTV/C探测器适用于需要监测光强瞬间变化的应用领域，例如，在某条生产线上，有必要检测快速移动的传送带上每个物体经过某一点时光强的变化。通常，需要安装一个A/D转换器，作为传感器和微处理器或其他类型控制器之间的接口。

LTF器件将光能转换成某种波形，波形的频率与被感应的光强成正比。LTF器件的动态范围由它的最小和最大输出频率决定。当输入光强为0时，输出是最小频率或暗频率。而最大或满刻度频率是输出频率不再随着光强的增加而增加时的频率。

LTF的动态范围远远超过LTV器件，它适用于需要更高分辨率的应用场合。例如，动态范围是4V而噪声(暗电压)是4mV的线性LTV器件可以提供1000个阶梯，而动态范围是1MHz，噪声(暗频率)是0.5Hz的LTF可以提供200万个阶梯，TAOS TSL237即为一例。LTF的频率输出需要使用一个频率计数器或者微处理器进行处理。

LTD器件将光强转换成数字数据。然后，数字数据被存储在内部寄存器之中，在那里，数据将随着落在传感器上的光强变化而成正比变化。LTD器件与微处理器之间通常使用各种不同协议之中的某一种作为接口，其中包括SMbus、I2C和SPI。

这种器件的动态范围是寄存器最大和最小取值之差。其数字接口也使得这些器件有一定的可编程性，可用来控制增益以及积分时间等量。

大多数LTD器件是可寻址的，这意味着多个器件可以在单根总线上共存，从而将互连成本降到最低。TAOS TSL2563是带有可编程增益和积分时间的LTD器件的一个例子。这个传感器通过I2C接口为编程状态提供了中断功能。

转换速率

在许多应用中，光探测器能否将光强的变化转换成有用输出的速度是应考虑的一项重要因素。与输出类型无关，光电二极管的偏置和尺寸是决定传感器转换速度的主要因素：光电二极管越大，电容越大，对光强的响应就越慢。因此，反向偏压被用来增加转换速率。请注意，通常情况下，对于集成传感器转换速度的确定起限制作用的因素是集成电路，而不是光电二极管。

尽管略有不同，但是LTV和LTC器件都可以被共同归类为光模拟信号转换(LTA)器件。因为除了光电二极管之外，LTA器件只需要很少的电路一一电流放大器(CA)或者跨阻放大器(TIA)，所以该种器件提供了比LTF或LTD器件更快的响应时间。LTA器件的速度可通过输出的上升和下降时间进行测量。如上所述，它不仅受偏置和光电二极管尺寸的影响，而且还与CA或者TIA的电容有关。

除了受光电二极管的限制，LTF器件还增加了电流到频率的转换时间。通常，转换会在电流转换到目标频率输出的一个周期内完成。因此，LTF器件响应产生1kHz波形的光强比响应产生1MHz波形的光强要慢。如果要测量极弱的光强，对这一点的考虑会非常重要。

LTD器件的速度与LTA或者LTF器件有些不同，因为LTD器件通常不是连续地在输出总线上放置数据；并且通常只有在控制器发出请求时，它才提供数据。此时，数据才会被载入到数据寄存器。因而，转换速率由总线的速度决定。

光谱响应

了解应用的光谱感应要求，并使用具有合适的光谱响应的传感器与之匹配，这是一项重要的系统考虑。例如，使用近红外LED的接近探测器，需要只对近红外区域光谱能量进行响应的传感器。并且这个传感器一定不能对可见光区域的光能进行响应。要达到这样的目的，可以使用外部可见光阻挡滤波器，或者选择带有集成滤波器的探测器。

如果应用需要只对可见光区域响应，也需要进行同样的考虑，比如色度测量。这需要滤除太阳以及其他光源的近红外能量，方法是使用外部或者集成的红外阻挡滤波器。这种类型的应用也需要红、绿和蓝(RGB)滤波器，外部的或者集成的都可以。

光学列阵

一些应用有时需要搜集空间信息。这时可以采用许多分立器件或者集成光学线性列阵来完成。

集成的光学线性列阵由许多像元或像素组成，它们通常排列在一条直线上。像素中心之间的距离被称为像素截距，通常以每英寸内的点数(dpi)给出。

400dpi器件的像素截距是63.5μm。空间分辨率直接与dpi数值对应；dpi越大，空间分辨率越高。对于给定的dpi，像素集的数目决定了器件的有效长度，例如，400dpi 128像素的TAOS TSL 1401的有效长度大约为8mm。这些器件的输出可以是模拟的(通常是电压)或数字的。这些器件的速度由积分时间(光被允许照射器件的时间)和时钟速率决定。

对大多数应用而言，线性列阵是通过像素数、有效长度、分辨率和时钟速率来选择的。线性列阵是扫描型应用最理想的选择，但是它也适用于位置和边缘探测。结束选择

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关键词：光电效应；光电传感器；光敏材料

一、理论基础――光电效应

光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。

1.外光电效应

光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。

根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv（v为光波频率，h为普朗克常数），由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律：

式中，m为电子质量，v为电子逸出的初速度，w为逸出功。

由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长为 式中，c为光速，w为逸出功。

2.内光电效应

当光照射到半导体表面时，由于半导体中的电子吸收了光子的能量，使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙，其能量间隔为Eg。一般情况下，价带中的电子不会自发地跃迁到导带，所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量，就可以将其激发到导带中，形成载流子，增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg（Eg为带隙间隔）时，价带中的电子就会吸收光子的能量，跃迁到导带，而在价带中留下一个空穴，形成一对可以导电的电子――空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子，但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此，这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析，要使价带中的电子跃迁到导带，也存在一个入射光的极限能量，即Eλ=hν0=Eg，其中ν0是低频限（即极限频率ν0=Egh）。这个关系也可以用长波限表示，即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时，才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小，不能使电子由价带跃迁到导带时，有可能使电子吸收光能后，在一个能带内的亚能级结构间（即图1中每个能带的细线间）跃迁。

二、光电器件及其特性

1.光敏电阻

1）光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

2）光敏电阻的伏安特性测量

（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即 ，同时算出此时光敏电阻的阻值 。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。

由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。

2、光敏二极管

1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

2）光敏二极管的伏安特性测量

（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

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系统设计

无衍射光通信系统采用强度调制／直接检测。其结构包括上位机、发送系统和接收系统，如图1所示。工作时上位机经过串口发送信号，经接口电路的电平转换，传输给微处理器，微处理器进行信号调制，把经过调制的信号传输给激光驱动器，激光驱动器驱动激光器发出光信号，经过无衍射光发生装置，以无衍射光的形式发送出去；光电接收把接收的光信号转换为电信号，经过放大电路、整形电路、解调模组和接口电路把收到的信号传送给上位机。上位机比较发送的数据和接收的数据，进而计算出误码率。

1无衍射光的产生

本系统采用结构简单、能量利用率高的圆锥透镜法产生无衍射光。如图2所示，激光器发出的激光通过准直透镜，之后入射圆锥透镜，圆锥透镜后的光场在最大无衍射距离内满足贝塞尔分布。无衍射距离zmax由圆锥透镜的孔径半径a和底角φ决定［4］。激光器输出波长为635nm，工作电流小于70mA，出瞳功率为2mW，工作温度范围为－10℃～40℃。准直透镜放大倍数为5×～10×，圆锥透镜的规格为Φ30，α＝0．5°。产生的无衍射光最大传输距离超过3000mm。

2调制解调设计

本系统采用微处理器进行双头脉冲间隔调制（DH－PIM）及其解调。DH－PIM的每个符号所包含的时隙数是变化的，并且采用两种起始脉冲。调制符号Sk（k为符号所表示的十进制数）由头部时隙和后续的m个空时隙组成。头部时隙由α＋1个时隙组成（α为整数），两种头部形式为H1和H2。H1起始脉冲宽度为α／2个时隙，其后为（α／2）＋1个保护时隙；H2脉冲宽度为α个时隙，其后为1个保护时隙。当k＜2M－1时，Sk符号的头部时隙为H1，反之为H2。DH－PIM调制不需要时钟的同步，具有较好的功率利用率、较高的传输容量、较小的误时隙率等优点［13］。

3激光驱动设计

激光驱动器选择MAXIM公司MAX3766，它为622MbpsLAN／WAN激光驱动器，包括激光调制器、自动功率控制、安全关闭等组件。激光驱动模块如图3所示，调整BIASMAX端口电阻阻值，设置激光器静态工作电流（即偏置电流），偏置电流要略小于激光器阈值电流；调整MOD端口电阻阻值，设置调制电流。

4接收系统设计

接收系统的作用是检测光信号，将受调制的光信号转换为电信号，再经放大、整形、解调等过程后发送给计算机。接收系统由光电探测器、放大电路、整形电路、解调模块等组成。光电探测器采用PIN光电二极管，其使用简单，灵敏度较高。本系统中采用KODENSHI公司生产的HPI－1KL5作为光电探测器，它属于硅PIN光电二极管，感光波长范围为450nm～1050nm。放大电路由两级集成运放组成。第一级为电压并联负反馈放大电路，其可以看作是电流－电压转换电路，把光电二极管的电流信号转换为电压信号；第二级同为电压并联负反馈放大电路，把第一级放大电路的输出反相并放大。由于光信号在大气中传播，造成的信号衰减及噪声，导致信号畸变，所以需要对经过放大电路的信号进行整形。经过整形的信号要满足TTL电平。整形电路由AD790电压比较器实现。AD790的响应时间为40ns。基准电压选择2V。当输入电压大于2V，输出4．7V，当电压小于2V，输出0．5V。经过整形的信号传输给信号解调模块，解调之后，通过串口传输给上位机。

实验验证

本系统示意图如图4所示，计算机通过串口发送数据，经过微处理器调制，激光驱动模块驱动半导体激光器，经过无衍射光发生光路后，由PIN光电二极管接收光信号并转换为电信号，再经放大整形及微处理器解调，最后又串口发送给计算机接收。计算机对发送的数据和接收的数据进行对比，计算出无衍射光通信系统的误码率。

1无衍射光产生实验

本系统产生的近似无衍射光的光斑如图5所示，在1000mm和2000mm处的无衍射光斑基本相同，表明无衍射光在传输过程中光场分布基本不变，光斑的略微变形是由于圆锥透镜加工误差、准直透镜的焦距误差、激光器输出不稳定等因素造成的。

2传输性能测试

本实验使用误码率对基于无衍射光的自由空间光通信系统进行传输性能评价。误码率是指在测量时间内，数字码元误差的数量与数字码元总数之比［14］。在本实验中，计算机通过串口发送随机数据，经过此通信系统后返回计算机，之后对比发送的数据和接收的数据，计算出误码率。调整激光器驱动电流，使半导体激光器输出功率分别为2mW和0．8mW，通信比特率设为9600bps，在不同的通信距离下的误码率如图6所示。从实验结果可以看出，当激光器输出功率设为2mW和0．8mW时，在无衍射光最大传输距离内，误码率都能满足要求。当激光器输出功率为2mW时误码率的波动不大，误码率随传输距离的变化较小。误码率主要由光电接收器件的分辨力、激光驱动装置和信号检测电路的误差、串口通信的误码等因素引起。当激光器输出功率为0．8mW、传输距离大于1500mm时，误码率明显增大，这主要是由于激光器的输出功率较小，在传输至较远距离时光强较弱，导致PIN光电二极管接收到的高低电平不易分辨，使传输系统的误码率上升。因此在合理的范围内提高激光器的输出功率，或者使用更高灵敏度的光电接收器件和更精密的检测电路，都可以有效地改善通信系统的质量。

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【关键词】红外光传输;SPWM调制;解调;中继转发节点装置

1.引言

随着年龄的增长，人们的听力日趋下降，获取信息的能力也在减弱。红外光音频传输装置的出现为听力衰弱的朋友们带来了福音。听觉好的成年人能听到的声音频率常在30～16000Hz之间，老年人则常在50～10000Hz之间。本设计在红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体的基础之上，将音频信号通过红外光进行传输。中继转发节点装置的意义在于将红外信号进行转弯，使它克服了只能直线传输的缺点。此装置刻意将左右声道的立体声音效合并为单声道音频信号，有效地降低了节目中背景音乐及其它声音，使得讲话的声音更为明显和突出。

2.系统框图设计

立体声音频信号被混合在一起形成一个单声道信号，在发生装置进行放大、滤波、比较等一些列处理，由此产生占空比可调的PWM波，进而驱动晶体管通过LED发射红外光。中继转发节点装置将光电二极管接收到红外LED发射的PWM红外信号经过转换、滤波、放大再输出，并且改变90度的角度。光电二极管接收传入PWM红外信号后进行解调，放大、滤波、最后输出音频信号，解调的另一路信号在液晶上进行温度显示。接收装置在6V电源供电下经过放大、低通滤波后，从耳机放出。

图1 系统结构框图

Fig.1 Structure diagram of the system function

3.系统硬件电路设计

3.1 红外发射装置

传入的两路立体声音频信号产生的电压信号被混合在一起以形成一个单声道信号，依次通过同相放大电路以及滤波电路得到一路正弦波信号。另一路由施密特触发器与D类触发器产生一路方波信号，通过积分电路生成90KHz三角波形。LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路其输出兼容RTL，DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。因此我们选用LM311作为发射装置的比较器。正弦波信号与三角波一同通过LM311进行比较，由此产生的占空比可调的PWM波，进而驱动晶体管通过LED发射红外光。

3.1.1 音频前置放大部分

输入的左右声道音频信号被混合在一起输入运算放大器，电阻与运算放大器构成同向比例运算电路，增大了输入阻抗的同时降低输出电阻。我们选择LM833双音频运放作为核心，将电压放大。根据同向比例放大电路[1]：

则信号被放大23倍。在输入端引入6V偏置电压，将音频信号垫高，易于与三角波进行比较，从而产生PWM波。由于篇幅有限，此处前放电路省略。

3.1.2 有源低通滤波部分

被放大的音频信号依次经过两次滤波被从入比较器。在器件选择方面我们仍然选用LM833以及通用型低噪声JFET 运算放大器TL072.电路图如图2所示。

3.1.3 三角波发生电路

三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求。其一，调制后的信号可以被完整地恢复。根据Nyquist采样定理[2]，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，由于人耳的所能够听到的声音频率范围20Hz―20KHz，说明三角波的频率应在 40 kHz 以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为 90 kHz;其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。

在高频的情况下，产生频率、幅度稳定的三角波，对一般的波形发生器来说很难实现。利用积分运算电路可实现方波―三角波的波形变换。我们将4093B施密特触发器设计成方波振荡器[3]，其可实现180KHz的方波，之后，使用D触发器4013B构成2分频器将180KHz的方波分频，依次通过积分电路即产生90KHz的三角波。由于篇幅有限，此处三角波发生电路省略。

3.1.4 PWM波发生电路与红外输出

为了简单说明，我们以音频信号为单一正弦信号为例来说明SPWM信号。等腰三角波称为载波，而正弦波则称为调制波[4]。当三角波的频率发生改变时，输出SPWM的频率也随之改变，同时也会影响到输出电压的变化。正弦波的幅度发生变化时，三角波的交点也将发生变化而导致输出脉冲波的宽度发生变化，最终使得输出电压发生改变。当音频信号大于三角波信号时，比较器输出高电平，当音频信号小于三角波信号时，比较器输出低电平。值得注意的是：音频信号的幅值不允许大于三角波信号的幅值，否则，结果是一个错误的PWM信号。如图3所示。

图3 SPWM波形成[4]

Fig.3 SPWM wave form[4]

经过放大、滤波后的音频信号从B端与三角波信号从反相端进入，通过LM311电压比较器比较，产生90KHz的SPWM波，从而完成调制。选择通用LM311作为电压比较器。产生PWM波形的LM311，驱动晶体管BC328为串联在一起的6个LED以及一个电源指示灯D4工作。如图4所示。

图4 音频信号的发射

Fig.4 Transmitting an audio signal

3.2 红外接收装置

光电二极管BP104接收到6个红外LED发射的PWM红外信号，通过LM833进行电流―电压转换，之后LM833放大电路，再次放大脉冲信号。根据反向比例运算电路[1]：

因此输出端放大-10倍。LM311构成限幅器的作用，从而再次产生90KHz的PWM信号。整个电路需提供6V直流电源供电，如图7所示。

生成的PWM波还需通过两次低通滤波，进行解调，最后通过音频放大器进行放大，最后分为两路输出。低通滤波器选用LM358AD，音频放大器选择LM386N。

3.3 中继转发节点装置

中继转发节点装置将红外接收装置的装换、放大、限幅电路与红外发射部分的三极管驱动光电二极管进行组合连接。即图5中Vout与BC328相连接构成，用5V直流单电源供电，所以最多只能驱动3个发光二极管。发光二极管发射红外光，通过接收部分输出信号。

4.功能测试和结果分析

当接入手机音频信号，在红外发射端端波形较好。红外接收端可以听到传输过来的音频信号，将发、收装置角度调整后，即可听到清晰声音，无明显失真、噪音干扰。当接收信号改到800Hz单音信号时，在8Ω的耳机电阻负载上，输出电压有效值不小于0.4V。不改变电路状态，当减小发射端输入信号的幅度至0V，采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）测量此时接收装置输出端噪声电压，读数不大于0.1V。

但存在一点不足之处，由于中继转发节点装置电压过低，导致转发信号强度可能有些偏小，造成接收部分不易接收信号。可根据实际适当提升电源电压，以增加发射功率。

参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京.高等教育出版社，2006.

[2]何子述.信号与系统（第一版）[M].北京：高等教育出版社，2007，5.

[3]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王贤江.高效AC_DC开关电源[D].成都：电子科技大学，2013（3）.

作者简介：

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关键词：亮度；人眼仿真；传感器；背光源；测量；LX1970

1主要特点

目前，笔记本电脑、个人数字助理（PersonalDigi-talAssistant，简称PDA）、平板电视和手机均采用液晶显示器（LCD）。但LCD本身并不发光，它只反射或透射外界光线。为便于在光线较暗的环境中或夜间观察屏幕，就必须给LCD加背光源以增强对比度。利用可见光亮度传感器就可根据环境亮度来自动调节背光源（一般为白色发光二极管）的亮度，这样不仅能获得最佳显示效果，还能降低背光源的功耗。

图1

美国微型半导体（Microsemi）公司推出了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970，利用该器件可构成平板显示器的亮度监控系统。此外，它还可用做户外照明灯（例如路灯）控制器，以使照明灯能在黄昏时自动开启，清晨时自动关闭。

LX1970型可见光亮度传感器的性能特点如下：

内含PIN型光电二极管、高增益放大器和两个互补式电流输出端该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似，因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，并将接收到的可见光转换成电流信号，进而对背光源的亮度进行控制。

峰值发光波长为520nm，电流灵敏度为0．38μA／lx，暗电流为10nA。

非线性误差小，重复性好。两个互补输出端的电流不对称度仅为±0．5％，可任选一端作为输出。

电路简单，价格低廉，使用方便。无须使用滤光片即可有效衰减紫外光及红外光。

微功耗，低压供电。采用2～5．5V电源，电源电流可低至85μA（典型值）。工作温度范围为－40℃～＋85℃。其外形尺寸仅为2．95mm×3mm×1mm。

2LX1970的工作原理

LX1970采用MSOP－8表贴塑料封装，其引脚排列和内部框图如图1所示。

LX1970芯片正面有一个面积为0．369mm2的受光区。UDD和USS分别接电源的正、负极。SNK为电流接收器的引出端，SRC为输出电流源的引出端。其余NC均为空脚。芯片工作时由光电二极管产生的光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端，其中一个是电流吸收器的引脚SNK，另一个是输出电流源的引脚SRC，二者的电流分别为ISNK和ISRC。其中ISNK为灌入芯片中的电流，简称灌电流。这两种电流信号通过R1、R2可分别转换成电压信号USNK、USRC。改变R1（或R2）的电阻值可调整电压增益，电阻值允许范围是10kΩ～50kΩ。C1和C2为滤波电容，可用来决定传感器的响应时间。输出USNK与环境亮度成反比，USRC与环境亮度成正比，二者呈互补输出特性，可任选一路信号作为输出电压UO。

LX1970的相对灵敏度与波长的响应曲线如图2中的粗线所示，细线是人眼的响应曲线（峰值波长为550nm）。由图可见，LX1970接收光的波段与人眼非常相近，并且也象人眼一样灵敏。其峰值波长λP为520nm，波段大约为350nm～800nm，能覆盖整个可见光波段（400nm～700nm），而紫外光波段（＜400nm和红外光波段（＞700nm）都很窄，这表明它对可见光的接收灵敏度最高。LX1970在峰值波长为520nm时的灵敏度K为0．38μA／lx，即照度每变化1lx（勒克斯），输出电流变化0．38μA。将照度转换成亮度L（其单位是cd／m2）时，可假定光线照射在一个能满足全反射条件的理想平面上，然后根据1lx＝0．314cd／m2进行转换即可得到亮度值。通常，可用实验的方法来测定亮度与照度的比例系数。

3LX1970的典型应用

3．1白光亮度测量电路

测量白光亮度的电路如图3所示。该电路在工作时先由RCC、电流源和白光LED组成的光源发射出可见光，再由LX1970接收该可见光并转换成电流信号。接下来在SNK端、SRC端各串联一块微安表以分别测量光电流ISNK和ISRC，这样微安表的读数值就反映了亮度的高低。

3．2LCD背光源亮度自动控制电路

当环境亮度明显变暗时，LX1970能自动开启LCD的背光源以使白色LED发光。其亮度自动控制电路如图4所示。图中电阻R1和R2用于设定控制亮度的最小值与最大值。改变电容器C的容值可调整响应时间并能滤除50Hz电网干扰。LX1970采用＋3．3V～＋5V电源。若只使用SRC端，则SNK端应悬空。假定需用0．25V～1．25V的输出电压来驱动白光LED，0．25V代表LED的亮度最小值，1．25V代表亮度最大值那么，可由下式确定R1与R2的比例关系

R1＝[(3／0．25）－1]R2＝11R2

可根据LX1970在给定亮度下的输出电流最大值（ISRCmax）来计算R2值。实际上在ISRCmax为50μA时R2为25kΩ，这样代入上式即可得到275kΩ的R1值。

3．3LX1970评估板的设计

利用LX1970评估板（EvaluationBoard）不仅能检查出LX1970的质量好坏，还可对LCD背光源亮度控制电路进行各种实验，以便为开发新产品提供依据。此外，评估板上的元器件布局以及印制电路的设计也具有参考价值。LX1970的评估板电路如图5所示。它具有以下特点：

第一，可利用一个转盘（上面开着7个不同孔径的小孔）来改变LX1970入射光窗口的大小，转盘与传感器一同装在机壳内；

第二，通过电位器RP1～RP3调整放大器的增益，再经过LX1970驱动两只白色发光二极管（LED1、LED2）发光，以实现亮度调节，从而适应不同的环境亮度条件；

第三，分别改变跳线器J1～J4的接线方式，以对不同电路进行隔离或偏置；

第四，该电路有4个可选择的控制端口，包括SRC的分压二极管引出端口（A）、SRC的电压调整端口（B）、SRC的固定电压端口（C）和SNK的电压调整端口（D）。此外，还有两个输出端（SRC、SNK）其中，端口A为下拉端（经外部电位器接地，可代替LX1970手动调整亮度）。端口B、C、D均为上拉端（经外部电路接正电源或其它正电压）。端口B和端口C用于设置最低输出电压（将RP1调至最小）或调节SRC端的输出。端口D用来设置最高输出电压（将RP2调至最大）或调节SNK端的输出。