光频转换电路和方法
【专利说明】光频转换电路和方法
[0001] 发明领域
[0002] 本发明涉及到光频转换电路技术，特别涉及到一种光频转换电路和方法。
【背景技术】
[0003] 随着集成电路技术的发展，具有集成度高、尺寸小、成本低、功耗低等特点的单芯 片光频转换电路取代传统的单立光电传感器加后续模拟电路组成的光频率转换电路，广泛 应用于照相机曝光控制、照明、舞台灯光控制、日光强度跟踪、医学诊断、烟雾检测、火炉火 焰控制、反射系数检测等大量领域。
[0004] 将传统单立光电传感器加后续模拟电路进行单芯片集成后，光电传感器部分只能 采用和集成电路工艺兼容的硅基光电传感器，硅基光电传感器在接收到光强信号后通过振 荡电路输出对应频率的方波电信号。与单立光电传感器相比，硅基集成光电传感器具有响 应快、重复性和稳定性好，不易疲劳和老化等优点。但是，存在着光频率转换的线性度较差 的缺点。当光强较大时，电信号容易饱和。此时，光频转换电路输出的频率不能保持和光强 信号同比例增加。如Texas Instruments的TSL230产品，输出频率的非线性误差在0~10kHz 时为±0.1%，在0~100kHz时为±0.2%，在0~1MHz时为±5%。随着光强进一步增强，硅基光电 传感器产品非线性误差成指数型增长，光频转换电路非线性误差将难以满足高精度使用场 合。显然，现有技术单芯片光频转换电路存在着非线性误差较大，难以满足高精度使用场合 等问题。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术单芯片光频转换电路存在的非线性误差较大，难以满足高精度使 用场合等问题，本发明提出一种光频转换电路和方法。本发明光频转换电路包括硅基光电 传感器、非线性拟合电路和锁相环电路;硅基光电传感器接收光信号并将其转换为感生电 压信号;非线性拟合电路将拟合电压信号与感生电压信号进行比较并输出对应的数字码； 锁相环电路依据数字码输出对应频率的方波电信号。
[0006] 进一步的，所述非线性拟合电路包括非线性拟合阵列、比较器和计数器;非线性拟 合阵列产生拟合电压信号；比较器用于比较拟合电压信号和感生电压信号，并在两者相等 时翻转比较器;计数器将与感生电压信号相等的拟合电压信号所对应的数字码输出到锁相 环电路。
[0007] 进一步的，所述非线性拟合阵列包括电容阵列、开关阵列和开关控制器;电容阵列 中各个电容的电容值依据硅基光电传感器的光电转换特性设置，开关阵列与电容阵列对应 设置;开关控制器控制开关阵列使得电容阵列中的电容逐个与输出电路连接，使得电容阵 列的输出电压逐步累计从而形成所述拟合电压信号；同时，连接到电容阵列输出电路中的 电容数量形成所述数字码。
[0008] 进一步的，所述电容阵列中各个电容的电容值依据硅基光电传感器的光电转换特 性设置，包括，电容阵列:.中各个电容的电容值随娃基光电传感器的实际输出电压等 比例变化;其中，
其中，? ，n为电容阵列中的电容数目。
[0009] 进一步的，所述硅基光电传感器包括光电二极管，还包括电流/电压转换电路。
[0010] 进一步的，所述电流/电压转换电路包括电流镜、积分开关控制器和积分电容;积 分开关控制器控制积分电容进行积分，积分电流为电流镜电路镜像的光电二极管的光生电 流。
[0011] 进一步的，所述锁相环电路包括除法器、鉴频鉴相器、电荷栗和压控振荡器，其中， 压控振荡器输出的电信号的频率受数字码的控制，并且，其频率值与数字码值同比例变化。
[0012] -种光频转换方法，采用非线性拟合电路产生的拟合电压信号与硅基光电传感器 输出的感生电压信号进行比较，并在两者相等时输出该拟合电压信号所对应的数字码，并 由该数字码控制锁相环电路输出电信号的频率;其中，拟合电压信号的变化与硅基光电传 感器的非线性特征相同；数字码随拟合电压信号的变化为非线性。
[0013] 本发明光频转换电路和方法的有益技术效果在于解决了现有光频转换电路在光 强较强时电信号逐渐饱和，导致测量不准的问题，扩大了硅基光电传感器的线性感光范围。
【附图说明】
[0014] 附图1是现有技术光频转换电路的结构框图； 附图2是本发明光频转换电路的结构框图； 附图3是本发明光频转换电路非线性拟合电路的结构框图； 附图4是本发明光频转换电路非线性拟合电路实施例的结构示意图； 附图5是本发明光频转换电路锁相环电路的结构示意图。
[0015] 下面结合附图及具体实施例对本发明光频转换电路和方法作进一步的说明。
【具体实施方式】
[0016] 附图1是现有技术光频转换电路的结构框图，由图可知，现有技术光频转换电路， 采用硅基光电传感器作为光电转换的器件。当光强较大时，电信号容易饱和。此时，光频转 换电路输出的频率不能保持和光强信号同比例增加。如Texas Instruments的TSL230产品， 输出频率的非线性误差在0~10kHz时为±0.1%，在0~100kHz时为±0.2%，在0~1ΜΗζ时为土 5%。随着光强进一步增强，硅基光电传感器产品非线性误差成指数型增长，光频转换电路非 线性误差将难以满足高精度使用场合。显然，现有技术单芯片光频转换电路存在着非线性 误差较大，难以满足高精度使用场合等问题。
[0017] 附图2是本发明光频转换电路的结构框图，由图可知，本发明光频转换电路包括硅 基光电传感器、非线性拟合电路和锁相环电路;硅基光电传感器接收光信号并将其转换为 感生电压信号;非线性拟合电路将拟合电压信号与感生电压信号进行比较并输出对应的数 字码;锁相环电路依据数字码输出对应频率的方波电信号。
[0018] 附图3是本发明光频转换电路非线性拟合电路的结构框图。由图可知，本发明光频 转换电路的非线性拟合电路包括非线性拟合阵列、比较器和计数器;非线性拟合阵列产生 拟合电压信号；比较器用于比较拟合电压信号和感生电压信号，并在两者相等时翻转比较 器;计数器将与感生电压信号相等的拟合电压信号所对应的数字码输出到锁相环电路。
[0019] 附图4是本发明光频转换电路非线性拟合电路实施例的结构示意图，由图可知，所 述非线性拟合阵列包括电容阵列、开关阵列和开关控制器；电容阵列中各个电容的电容值 依据硅基光电传感器的光电转换特性设置，开关阵列与电容阵列对应设置;开关控制器控 制开关阵列使得电容阵列中的电容逐个与输出电路连接，使得电容阵列的输出电压逐步累 计从而形成所述拟合电压信号；同时，连接到电容阵列输出电路中的电容数量形成所述数 字码。其中，所述电容阵列中各个电容的电容值依据硅基光电传感器的光电转换特性设置， 包括，电容阵列中各个电容的电容值随硅基光电传感器的实际输出电压等比例变 化;其中，<