СВЕТОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в различных устройствах измерения интенсивности светового и рентгеновского излучения.
Известно устройство для преобразования светового излучения в частоту импульсов, содержащее фотодиод, коммутирующий элемент, дифференциальный усилитель и источник опорного напряжения (Гуртьев Л.П., Козачок А.Г., Нечаев В.Г. Фотометр. Авт.свид. СССР на изобретение №1116325, МПК G01J 1/44 от 30.09.84, Бюл. №36, 1984 г.).
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность и невысокая точность преобразования, которые ограничиваются тем, что частота выходных импульсов пропорциональна отношению фототока к собственной барьерной емкости фотодиода, которая характеризуется большой температурной нестабильностью и нелинейно зависит от обратного напряжения фотодиода. Кроме того, на результат преобразования оказывают влияние входной ток и напряжение начального смещения дифференциального усилителя, ограничивающие чувствительность и точность устройства.
Известен также светочастотный преобразователь, содержащий источник питающего напряжения с резистивным делителем, фотодиоды, конденсаторы, дифференциальные усилители и ключевые элементы (Крупецкий Г.М., Орловский Э.В. Светочастотный преобразователь. Авт.свид. СССР на изобретение №976305, МПК G01J 1/44 от 23.11.82, Бюл. №3, 1982 г.).
ФД
ЗАР
ФД
П
ВЫХ
ФД
П
-7
-10
В этом устройстве чувствительность ограничивается низкой скоростью заряда времязадающего конденсатора выходным током фотодиода. Например, при малой интенсивности светового потока ток фотодиода I≈0,1 мкА заряжает времязадающий конденсатор С≈100 пФ со скоростью, составляющей V≈I/С≈1·10/1·10≈1 В/мс до уровня, примерно равного половине напряжения питания U≈5 В, поэтому частота выходных импульсов составляет всего f≈I/UC≈200 Гц, а чувствительность устройства ограничивается
ВЫХ
ФД
ВХ
на уровне S=f/I≈200/0,1≈2 кГц/мкА. При таком токе фотодиода наличие входного тока усилителя I≈10 нА приводит к изменению частоты на 10%, что ограничивает точность преобразования устройства.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является светочастотный преобразователь, содержащий фотодиод, конденсатор, источник напряжения питания с делителем напряжения на двух резисторах, триггер Шмитта и ключевой элемент (Куклин Ю.Д. Преобразователь освещенность - частота. Авт.свид. СССР на изобретение №1679210, МПК G01J 1/44 от 23.09.91, Бюл. №35, 1991 г.).
ФД
П
ЗАР
П
ФД
ВЫХ
ЗАР
ФД
П
ФД
П
ВЫХ
ВЫХ
ФД
СМ
-7
-10
Недостатком данного устройства является относительно невысокая чувствительность, которая ограничивается низкой скоростью заряда конденсатора малым током фотодиода при слабом световом потоке. Согласно принципу действия этого устройства, заряд конденсатора С выходным током I фотодиода выполняется в диапазоне, составляющем примерно 1/3 напряжения питания U за время, определяемое выражением t≈0,33UС/I, а частота выходных импульсов составляет f≈1/t≈I/0,33UC. Например, при выходном токе фотодиода порядка I≈0,1 мкА, типовом напряжении питания U≈6 В и емкости конденсатора С≈100 пФ частота импульсов составляет f≈1·10/2·10≈500 Гц, а чувствительность ограничивается на уровне S=f/I≈500/0,1≈5 кГц/мкА. Кроме того, в данном устройстве триггер Шмитта реализован на RS-триггере с дифференциальными усилителями на входах, сравнивающими напряжение на конденсаторе с разными пороговыми уровнями, поэтому изменение напряжения смещения U усилителей приводит к дополнительной погрешности, ограничивающей точность преобразования устройства.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение чувствительности и точности преобразования слабых световых сигналов в частоту импульсов напряжения.
Для достижения этого технического результата в светочастотный преобразователь, содержащий фотодиод, времязадающий конденсатор, источник
питающего напряжения с подключенным к нему делителем напряжения на двух резисторах, дифференциальный усилитель, триггер Шмитта и ключевой элемент, дополнительно установлен третий резистор, который включен между неинвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя. Кроме того, в качестве ключевого элемента применен двухканальный переключатель на два направления, два входа которого подключены соответственно к аноду и катоду фотодиода, первый и четвертый выходы переключателя объединены и подключены к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а второй и третий выходы переключателя соединены соответственно с нулевой цепью и источником напряжения питания. При этом выход источника напряжения питания через делитель напряжения подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого через времязадающий конденсатор подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя и входу триггера Шмитта, выход которого соединен с управляющим входом переключателя и является выходом устройства. В качестве триггера Шмитта применен логический повторитель КМОП типа, на входе которого установлен четвертый резистор, а между его входом выходом включен пятый резистор, выполняющий функцию элемента положительной обратной связи.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурой, на которой показана схема преобразователя.
Светочастотный преобразователь содержит фотодиод 1, двухканальный переключатель 2, источник напряжения 3, делитель напряжения 4 на двух резисторах 5 и 6, дифференциальный усилитель 7 с конденсатором 8 в цепи отрицательной обратной связи и с резистором 9 в цепи положительной обратной связи, а также триггер Шмитта 10, собранный на логическом повторителе 11 с резисторами 12 и 13 на входе и в цепи обратной связи.
Преобразователь работает следующим образом.
ФД
Под действием падающего на фотодиод 1 светового излучения генерируется фототок I, значение которого прямо пропорционально силе света.
7
7
СРАБ
В первом такте преобразования анод фотодиода 1 через переключатель 2 соединяется с нулевой цепью, а катод - с инвертирующим входом дифференциального усилителя 7. Выходным током фотодиода 1 линейно заряжается конденсатор 8. В процессе его заряда выходное напряжение усилителя 7 линейно увеличивается во времени и через резистор 9 подается на неинвертирующий вход усилителя 7, подключенный к средней точке делителя напряжения 4. Вследствие этого значительно повышается скорость линейного нарастания напряжения U на выходе дифференциального усилителя 7. Повышение напряжения U продолжается до момента его равенства уровню срабатывания U триггера Шмитта 10, собранного на логическом повторителе 11 и резисторах 12, 13. После этого триггер Шмитта 10 устанавливается в высокое (единичное) состояние, а его выходным сигналом переключается двухканальный переключатель 2, и начинается второй такт преобразования.
П
ФД
7
ОТП
ФД
Во втором такте на катод фотодиода 1 через переключатель 2 подается положительное напряжение U от источника питающего напряжения 3, а анод фотодиода 1 соединяется с инвертирующим входом дифференциального усилителя 7. При этом выходным током I фотодиода 1 разряжается времязадающий конденсатор 8, поэтому напряжение U на выходе дифференциального усилителя 7 уменьшается по линейному закону вплоть до момента его равенства с уровнем отпускания U триггера Шмитта 10. После этого триггер Шмитта 10 переключается в низкое (нулевое) состояние и устанавливает переключатель 2 в исходное положение. На этом цикл преобразования устройства заканчивается, и начинается очередной заряд конденсатора 8 выходным током I фотодиода 1, и т.д.
ФД
Чередование тактов заряда и разряда времязадающего конденсатора 8 вызывает появление на выходе триггера Шмитта 10 последовательности прямоугольных импульсов, частота которых прямо пропорциональна току I фотодиода 1 и, соответственно, интенсивности измеряемого светового потока.
Делитель напряжения 4 на резисторах 5 и 6 применен для установки напряжения на неинвертирующем входе усилителя 7, примерно равного половине
П
5
6
5
6.
7
напряжения питания U, поэтому сопротивления R и R должны быть одинаковыми: R=R С учетом этого условия при заряде конденсатора 8 выходное напряжение U дифференциального усилителя 7 изменяется по закону
.
7
СРАБ
ОТП
П
Диапазон изменения напряжения U усилителя ограничивается зоной нечувствительности (или гистерезиса) триггера Шмитта 10, которая зависит от разности его уровней срабатывания U и отпускания U и задается напряжением питания U и отношением сопротивлений элементов 12 и 13:
ФД
ЗАР
РАЗ
При одинаковой освещенности выходной ток I фотодиода 1 остается постоянным при заряде и разряде конденсатора 8, поэтому длительности тактов заряда и разряда будут примерно одинаковыми: t≈t. Так как длительность каждого цикла преобразования зависит от суммарной длительности тактов заряда и разряда конденсатора 8 в пределах зоны гистерезиса триггера Шмитта 10, то частота его переключения прямо пропорциональна току фотодиода и определяется выражением
12
13
При установке зоны гистерезиса триггера Шмитта примерно равной половине напряжения питания  сопротивления резисторов 12 и 13 выбираются по условию R=0,5R, при выполнении которого частота выходных импульсов устройства определяется простой формулой
9
За счет включения резистора R в цепь положительной обратной связи усилителя 8 чувствительность полезной модели определяется выражением
5
9
т.е. в (1+R/2R) раз превышает чувствительность известных устройств.
П
8
5
6
9
ФД
-10
Например, при типовом напряжении питания U=5 В и применении элементов C=100 пФ, R=R=200 кОм, R=1 кОм и токе I=0,1 мкА чувствительность полезной модели составляет S=101/5·10≈20 кГц/мкА, т.е. превышает чувствительность аналогичных устройств в 40...100 раз.
Повышение точности преобразования слабых световых сигналов обеспечивается следующими факторами.
СМ
ПОР
П
П
12
13
8
Во-первых, изменение напряжения начального смещения U дифференциального усилителя 7 и порогового напряжения срабатывания U≈0,5U логического КМОП повторителя 11 не оказывают влияния на длительности тактов заряда и разряда конденсатора 8, которые зависят только от стабильности зоны гистерезиса триггера Шмитта. Поэтому использование стабильного напряжения питания U=const и пассивных элементов с низкими температурными коэффициентами (резисторов R=0,5R=const и конденсатора C=const) обеспечивает высокую точность преобразования.
Во-вторых, за счет подключения фотодиода 1 к нулевой цепи и к источнику напряжения питания в первом такте и втором тактах преобразования обеспечивается режим его обратного включения независимо от заряда или разряда времязадающего конденсатора 8, чем достигается высокая линейность характеристики преобразования в широком диапазоне фототока.
ВХ
ФД
ВХ
ФД
ВХ
ВЫХ.
В третьих, при наличии входного тока I дифференциального усилителя в первом такте преобразования конденсатор 8 заряжается суммой двух токов (I+I), а во втором такте - разряжается их разностью (I-I). Это приводит к сокращению длительности первого такта при одновременном увеличении длительности второго такта преобразования, поэтому изменение входного тока усилителя практически незначительно влияет на частоту f
Частота выходных импульсов устройства с учетом входного тока дифференциального усилителя определяется выражением
согласно которому наличие входного тока усилителя приводит к относительной погрешности нелинейности, обратно пропорциональной току фотодиода:
ФД
ВХ
ФД
Например, при значении фототока I=0,1 мкА и входном токе усилителя I=10 нА (10% от I) погрешность нелинейности составляет не более γ≤1%, и резко понижается при дальнейшем уменьшении отношения токов.
Т
ВЫХ
Влияние темнового тока фотодиода можно скомпенсировать в процессе цифрового измерения частоты типовым способом аддитивной коррекции: сначала измерить и запомнить в дополнительном регистре памяти значение частоты f при отсутствии светового излучения (закрытом фотодиоде), а затем вычитать его в цифровой форме из последующих значений частоты f, пропорциональной измеряемому световому излучению.
Т
ОБР
Следует отметить, что применение в предложенной полезной модели современных фотодиодов типов ФП-3, ФД70-ОП, ФП-1-850К и т.п. с малым темновым током, составляющим I≤(1...5) нА при обратном напряжении фотодиода U≈5 В, позволяет контролировать слабые уровни освещенности при минимальных погрешностях преобразования.
ВХ
П
При экспериментальном исследовании полезной модели в качестве переключателя 2 применялся мультиплексор типа КР1564КП1, в качестве усилителя 8 - микросхема микромощного усилителя типа КР140УД12, входные токи которой составляют менее I≤5 нА при токе потребления I≈15 мкА,
а в качестве логического повторителя 11 - микросхема КР1564ЛП2. В результате проведенных исследований установлено, что приведенная погрешность преобразования фототока в частоту импульсов составляет менее 0,1%.
Дополнительным достоинством предложенной полезной модели является минимальная мощность потребления, так как среднее значение тока, потребляемого КМОП микросхемами 2, 10 и микромощным усилителем 8, не превышает 0,1 мА в диапазоне частоты выходных импульсов от 0,1 до 20 кГц.