Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 18
Текст из файла (страница 18)
3.12. Оптрон Некоторые оптроны дополняются на выходе формирователем логическик уровней. Данный формирователь размещается обычно в том же корпусе. Оптроны с закрытым оптическим каналом имеют ту же скорость нарастания сигнала и выходную мощность, что и оптроны с открытым оптическим каналом. Однако коэффициент передачи по току (КПТ) такого оптрона может быть выше, обычно в пределах 20...100%, так как в чипе его микросхемы излучающий светодиод располагается максимально близко к базе фототранзистора.
Оптрон с закрытым оптическим каналом общего назначения 4%35 имеет время включения и выключения порядка 1О мкс, таким образом, он может передавать сигналы на частотах выше 10 кГц. Тем не менее, при приближении скорости следования сигналов к предельной скорости срабатывания оптрона, выходной сигнал все более отличается от входного.
Поэтому там, где нужна высокая скорость передачи данных, следует использовать быстродействующий оптрон. бФ136 (Рис. 3.!3), например, способен работать на частотах до 1 МГц. В этом оптроне для достижения высокой скорости срабатывания использована схема включения фотодиода последовательно с выходным транзистором. чсс оно Рис. 3. 13. Цокалсвкв быстродействующего аптрана ба!36 96 ° Глава 3. Дамчяхи 3.2.8.
Дискретные оптические датчики В некоторых приложениях иногда требуется использование дискретных олтических даглчиков: светодиода и фототранзистора. Они обычно рассчитаны на работу в инфракрасном (ИК) диапазоне, как и те, что применяются в щелевых и отражательных оптронах. Дискретные оптопары обычно используются в системах, где большой объект преграждает путь световому лучу между светодиодом и фототранзистором или там, где расстояние слишком велико для применения оптрона. Дискретные оптопары имеют аналогичные схемы включения и используются так же, как рассмотренные ранее оптроны.
Однако существует несколько дополнительных замечаний. Поскольку расстояние между светодиодом и фототранзистором в такой системе обычно больше, чем в стандартной ИС, КПТ, соответственно, ниже. Часто появляется необходимость подстроить ток светодиода или порог чувствительности для надежной и повторяемой работы схемы. В некоторых случаях может понадобиться линза (объектив) на один из элементов оптопары для фокусировки света.
Необходимость фокусировки — довольно распространенная проблема, возникающая при использовании дискретных элементов. Эта проблема будет особенно ощутима, если светодиод и фототранзистор расположены на различных механических основаниях. Следует учитывать, что отклонение в направлении даже в допустимых пределах может привести к потере оптической связи между светодиодом и фототранзистором. В оптроне светодиод н фототранзистор согласованы по длине световой волны. Хотя большая часть фототранзисторов и светодиодов ИК-диапазона могут работать совместно, но положение максимума их спектральной чувствительности все же может отличаться. Так что, при использовании дискретных элементов, выбираются светодиод и фототранзистор, работающие в одной и той же области И К-спектра.
Если же элементы имеют различные спектральные диапазоны, хотя и перекрывающиеся, то светодиод, работающий в одной области спектра, а фототранзистор — в другой, могут привести в результате к значительному снижению КПТ системы. На Рис. 3.14 показаны три основных способа подключения оптического датчика к микропроцессору. Во всех случаях светодиод подключен через ограничивающий ток резистор, эмиттер фототранзистора соединен с землей, а коллектор подключен к питанию через нагрузочный резистор и соединен также с микропроцессором или другим устройством — компаратором или АЦП.
Все эти способы также оправдывают себя и при иных подключениях управляющих цепей, как, например, с использованием микропроцессора для включения и выключения светодиода. Оптроны с закрытым оптическим каналом будут работать и при иной схеме подкчю- 3.2. Оптические датчики ° 97 чения фототранзистора,например, не по приведенной выше схеме с об- шим коллектором, а по другой — с обгцим эмиттером (питание положи- тельной полярности подается на коллектор и сигнал снимается через ре- зистор, соединяющий эмиттер с землей). Простейшая цепь. су Может оказаться необходимым истор применение триггера шмитта.
К МК Нагрузочные резисторы в цепяхсветодиода и фототранзисторадолжны бюъ рассчитаны с учетом КПТ для установления необтдимых логических уровней. Датчики некоторых систем с отражением обладают довольно низким КПТ для примененив такой схемы. ьу Эта схема обеспечивает работу оптических приборов даже атом случае, если выходной сигнал фототранзистора меньше требуемого логического уровня. стор К МК Уровень опорного напряжения может быть изменен с помощью потенциометра [ручного или злеюронного) для установки напряжения срабатывания. ту Наиболее сложная и дорогая цепь.
Самая медленная, так как каждое измерение требует отдельного аналого-цифрового К МК преобразования. Данная схема ведет к усложнению всей системы, так как ПО должно обрабатывать результаты преобразования. Такая цепь универсальна и может работать сдатчиками с разными КПТ и оптическими системами. Рис. 3. 14. Три схемы подключения оптических датчиков к микропроцессору На Рис. 3.15 показано, как оптроны с закрытыми оптическими каналами могут быть использованы для развязки двунаправленного сигнала между двумя системами.
На рисунке показано, что вывод 1/О устройства, используюшего интерфейс 3Р1, нужно изолировать по постоянному току от микропроцессора. Для обеспечения требуемой развязки используются два 98 ° Глава 3. Датчики оптрона с закрытыми оптическими каналами. Выхол 5Р1-устройства снабжен буфером (для обеспечения требуемого тока светодиода), и выход оптрона ~31 переходит в изолированное состояние НИЗКОГО уровня, когда 5Р1-устройство устанавливает на выводе 1/О НИЗКИЙ логический уровень. Выход О1 может быть присоединен к биту парта микропроцессора или парта микракаитравлера.
Второй оптрон (О2) устанавливает вывод 1/О в ноль, когда микропроцессор формирует на светодиоде сигнал НИЗКОГО уровня. Если микропроцессор не передает данные на вывод!/О, он должен оставить светодиод в выключенном состоянии (ОГЕ маге), так, чтобы 5Р1-устройство могло подавать сигналы на этот вывод. Когда микропроцессор устанавливает на выводе!/О НИЗКИЙ логический уровень, выход оптрона Ь2 также установится в НИЗКИЙ уровень, чтобы микропроцессор игнорировал передачи на выходе О2 в то время, когда он управляет 5Р1-устройством. С другой стороны, может быть использован ответный сигнал (гегцгп), для проверки корректного прохождения данных через БР!-устройство. На Рис. 3.15 не показана цепь, дополненная еше одной оптопарой и егде одним портом микропроцессора, которые понадобятся для формирования тактового сигнала интерфейса БР1.
чный Р Выход к микропроцессору Вход от микро процвссорв. Отключен, когда нв входе высокий уровень. Рис. 3. х5. Двунаправленная развязка сигнала с использованием антропов с закрытыми оптическими каналами В этом случае управление двунаправленным выводом потребует, чтобы управляюший микропроцессор использовал два вывода порта (один вход и один выход), что позволяет обеспечить изоляцию по постоянному току пе- 3.3. Приборы с зарядовой связью ° 99 риферийного блока или системы. В большинстве случаев поналобятся высокоскоростные оптроны с закрытыми оптическими каналами.
Вполне возможно, что подойдут диодно-транзисторные оптроны или оптроны с логическим выходом, но следует помнить, что оптрон П2 (Рис. 3.15), напрямую соелиненный с двунаправленным выводом, должен иметь выход с открытым коллектором. Для обеспечения достаточной скорости переключения следует тщательно подобрать нагрузочный резистор, чтобы избежать чрезмерного времени нарастания, без превышения нагрузочной способности вывода. Если в качестве П2 применяется ситрон с диодно-транзисторным выходом, то он должен обеспечивать достаточный ток светодиода для гарантированной установки вывода катода светодиода в НИЗКИЙ логический уровень. 3.3. Приборы с зарядовой связью Приборы с зарядовой связью, ПЗС (Оташе Совр)ед Оеч)сез, ССР), непосредственно преобразуют интенсивность света в электрическую величину.
ПЗС используются в переносных видеокамерах, камерах наблюдения, считывателях штрих-кода, системах визуализации и многих других устройствах, где требуется представить изображение в электронном виде. 3.3.1. Основы работы ПЗС Приборы с зарядовая связью относятся к твердотельным датчикам изображения. Принцип работы ПЗС основан на накоплении заряда в полупроводнике под действием фотонов света. Когда фотоны достигают ПЗС- матрицы, энергия фотонов поглощается кремнием, что приводит к возникновению электронно-дырочных нар.
Число электронно-дырочных пар прямо пропорционально числу поглощенных фотонов и, таким образом, пропорционально световому потоку. Чем дольше накапливается заряд, тем больше электронно-дырочных пар будет сформировано. Процесс длительного воздействия света на ПЗС-матрину для накопления заряда называется интегрированием, а соответствующее время накопления заряда называется временем интегрирования.
Накопленный в ячейке ПЗС-матрицы заряд создает электростатический потенциал. Он может быть переме1цен приложением соответствующих напряжений с определенной фазой на тактовые выводы ПЗС. Эти напряжения, изменяющие потенциал, могут перемешать электрический заряд в любом направлении. Существует много механизмов формирования управляющих потенциалов с различными количествами тактовых входов и временными последовательностями.
Основной смысл работы состоит в 100 ° глава 3. Датчики том, что ПЗС-матрииа конфигурируется как аналоговый едвиговый регистр, заряды в котором двигаются в определенном направлении от одной ячейки к другой. На выходе ПЗС-моторины — аналогового сдвигового регистра — располагается чувствительный выходнои узел, преобразующий электрический заряд в напряжение, которое подается на схему для дополнительной обработки. На Рис. 3.16 показан принцип работы ПЗС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
