Фотометр

 

Изобретение относится к оптоэлектронной технике и может быть использовано для фотометрирования оптических полей, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности. Цель - увеличение быстродействия фотометра при низких уровнях освещенности. Фотометр содержит фотодиод 1, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 2, на инвертирующий вход которого через коммутатор 5 подключается либо компенсатор 7 темнового тока, либо источник 8 эталонного напряжения для перезаряда фотодиода, работающего в режиме накопления заряда. Световой сигнал на выходе усилителя 2 сравнивается компаратором 3 с опорным напряжением источника 4. Момент переключения компаратора фиксируется счетчиком 10. Если уровень освещенности низкий и величина светового сигнала не достигает величины опорного напряжения, то максимальное время накопления определяется счетчиком 9, на вход которого подается код Г„ак. Тактирование счетчика осуществляется задающим генератором 16. Таким образом, цикл фотометрирования заверщается либо к моменту переключения компаратора, либо по истечении времени накопления, после чего вычислитель I1 определяет тангенс угла наклона энергетической характеристики фотодиода 1 как частное от деления времени накопления на промежуток времени между перезарядом фотодиода 1 и моментом переключения компаратора 3. Формирование выходного сигнала осуществляется умножением светового сигнала на коэффициент пропорциональности , после чего вновь производится перезаряд фотодиода 1. 1 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ö 4 G 01 J 1 44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

1 фС," l .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

%1-,":;: ь,.: (21) 4179850/31-25 (22) 14.01.87 (46) 23.06.88. Бюл. № 23 (71) Алтайский политехнический институт им. И. И. Ползунова (72) П. И. Госьков, М. А. Царегородцев и А. Г. Якунин (53) 621.381 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 949347, кл. G 01 J 31/44, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 1116325, кл. G 01 1 1/44, 1984. (54) ФОТОМЕТР (57) Изобретение относится к оптоэлектронной технике и может быть использовано для фотометрирования оптических полей, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности. Цель — увеличение быстродействия фотометра при низких уровнях освещенности. Фотометр содержит фотодиод 1, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 2, на инвертирующий вход которого через коммутатор 5 подключается либо компенсатор 7 темнового тока. либо источник 8 эталонного напряже1

„„SU„„1404839 A i ния для перезаряда фотодиода, работающего в режиме накопления заряда. Световой сигнал на выходе усилителя 2 сравнивается компаратором 3 с опорным напряжением источника 4. Момент переключения компаратора фиксируется счетчиком 10. Если уровень освещенности низкий и величина светового сигнала не достигает величины опорного напряжения, то максимальное время накопления определяется счетчиком 9, на вход которого подается код T„,„. Тактирование счетчика осуществляется задающим генератором 16. Таким образом, цикл фотометрирования завершается либо к моменту переключения компаратора, либо по истечении времени накопления, после чего вычислитель 11 определяет тангенс угла наклона энергетической характеристики фотодиода 1 как частное от деления времени накопления на промежуток времени между перезарядом фотодиода 1 и моментом переключения компаратора 3. Формирование выходного сигнала осуществляется умножением светового сигнала на коэффициент пропорциональности, после чего вновь производится перезаряд фотодиода 1. 1 ил.

1404831, 3G

40 л Г)

Изобретение относится к оптоэлектронной технике и может быть использовано для фотометрирования оптических полей, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности.

Целью изобретения является увеличение быстродействия фотометра при низких уровнях освещенности.

На чертеже изображена функциональная схема фотометра.

Фотометр содержит фотодиод 1, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя 2, причем анод фотодиода 1 подключен к выходу усилителя 2, а его катод— к инвертирующему входу усилителя 2, компаратор 3, источник 4 опорного напряжения, коммутаторы 5 и 6, компенсатор 7 темнового тока, источник 8 эталонного напряжения, счетчик 9 реверсивный, счетчик 10 прямой, вычислитель 11, умножитель 12, элемент

2 ИЛИ 13, элемент 14 задержки, элемент

3 И 15, задающий генератор 16 и одновибратор 17. Неинвертирующий вход усилителя 2 подключен к общей шине источника питания устройства, а его инвертирующий вход — к выходу коммутатора 5, первый и второй входы KoToðñ"0 подключены соот ветственно к компенсатору 7 темпового тока и источнику 8 эталонного напряжения. Выход усилителя 2 соединен с первым входом коммутатора 6 и инвертирующим входом компаратора 3, неинвертирующий вход которого объединен с вторым входом коммутатора 6 и подключен к источ1гику 4 опорного напряжения. Кроме того, выход коммутатора 6 coe3HHel» c nel" Bhii>, зходом умнОжителя 12, вь.ход комнаратора 3 подключен к управляющему входу компаратсра 6, перво1у входу элемента 3 И 15 и второму входу элемента 2 ИЛИ 13, первый вход которого соединен с выходом счетчика 9, а его выход — с инициирующим входом вычисли- =ля 11 и через элемент 14 задержки — с установочным входом счетчика 10, синхронизируюгцим входом счетчика 9 и через последовательно включенный одновибратор 17 с управляющим входом коммутатора 5.

Вычитающий вход счетчика 9 и суммирующий вход счетчика 10 объединены и подключены к выходу элемента 3 И 15, второй вход кото" îãî подключен к задающему генера ropy 16, а третий — — к выходу одновибратора 17. При этом выход счетчика 10 подключен к информационному входу Х вычислителя 11, а информационный вход вычислителя 11 объединен с информационньп:, входом счетчика 9 и является управляющи к

Bxo30l фотометра. Выходом фотометра HBляется выход, умножн:еля 12, к второ. .у информационному входу которого нодключе ; выход Z вычислителя 11.

Задающий генератор 16 имеет типовуго схему и может быть реализован на микрссхемах широкого применения (на. †.:: р, 155 серии).

Счетчики 9 и 10 выпускаются промышленностью в интегральном исполнении (например, 155 ИЕ7) и их прямой или инверсный режим работы определяется соответствующей коммутацией управляющих BBIBOдов микросхем.

В качестве умножителя 12 можно использовать умножающий цифроаналоговый преобразователь (например, 572 ПА1), величина выходного сигнала которого прямо пропорциональна .". личинам входного сигнала и коэффициенту Н1зопорциональности, зад— ваемому двоичным кодом.

Вычислитель 11 реализует операцию деления Z=I/Ë, причем значения делител-: и делимого задаются двоичным кодом. Операция деления может производиться по изВЕСтНЫМ аЛГОрИТМам, а СаМ ВЫЧИСли PÅËÜ может быть выполнен по типовой схеме.

В простейшем случае для реализации операции деления можно использовать матрицу постоянного запоминающего устройства, в которой двоичная комбинация входн=i, сигналов однозначно определяет комбин=цию выходного кода. Использование матричного постоянного запоминающего устройсТВа позволяет задавать необходимый заха; соответствия между уровнем освещенност и фотометрируемого объекта и величиной выходного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток, падая на фотодиод l, pàáoòàþùBé в режиме накопления заряда, определяет уровень светового сигнала на выходе усилителя 2, причем в .ломент разряда фотодиода 1 инвертируюгций вход усилителя 2 через коммутатор 5 подкл.-чае-.сн к компенсатору 7 темнового тока. Выходное напряжение усилителя 2 сравнивается с опор. ным напряжением источника 4 на компараторе 3 и, если величина опорного напряжения источника 4 превышает уровень светового сигнала, то элемент 3 И 15 разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 6 на вычитающий и суммирую1ций входы соответстве Iio c«eT !I;ков 9 и 1О.

Г1ри фотометрированин слабых световых потоков, когда уровень светового сигнала соизмерим с уровнем сигнала недокомпенсации темнового тока фотодиода 1 и его величина не достигает величины опорного напряжения источника 4, счетчик 9 определяет максимально допустимое время накопле. -гия заряда на фотодиоде 1. 3То время задается двоичным кодом Тк,„,=-(т ь T>,,, ) на управляюще;л вхОде фотбметра. Лбсол . " . с .-. значение времени накоплени1. o!i-, .,:;Н=гс.-. соотношением ккк. А—

Где T„.„,„д — абсолю !ное зна- ен .:е впем=и: накопления заряда;

F — частота задающего генератсра

М вЂ” число двоичных !разрядов чика

1404839

В случае интенсивных световых по-!Во7ков, когда уровень сигнала на выходе усилителя 2 превышает величину опорного напряжения источника 4, момент переключения компараратора 3 фиксируется счетчиком 10, так как уровень сигнала на выходе компаратора 3 после его переключения запрещает прохождение тактовых импульсов через элемент

ЗИ 15.

Таким образом, цикл фотометрирования завершается либо в момент переключения компаратора 3, либо по истечении времени накопления, после чего на выходе элемента

2 ИЛИ 13 появляется сигнал, который производит запуск вычислителя 11 и через время, необходимое для завершения работы вычислителя и определяемое параметрами элемента 4 задержки, устанавливает счетчик 10 в нулевое состояние. По этому же задержанному сигналу в счетчик 9 записывается код, находящийся на его информационных входах, а также производится запуск одковибратора 17, который пер ключает коммутатор 5, подключающий инвертирующий вход усилителя 2, а следовательно, и катод фотодиода 1 к источнику 8 эталонного напряжения, в результате чего происходит перезаряд фотодиода 1. Длительность импульса одновибратора 17 выбирается, исходя из максимального времени перезаряда фотодиода 1. Причем на время перезаряда фотодиода 1 блокируется прохождение тактовых импульсов через элемент 3 И !5.

По истечении времени релаксации одновибратора 17 цикл работы устройства повторяется.

Для формирования выходного сигнала вычислитель 11 опр деляет тангенс угла наклона энергетической характеристики фотодиода 1 как частное от деления времени накопления на промежуток времени между моментом выключения одновибратора 17 и моментом переключения компаратора 3 или моментом окончания времени накопления (т. е. = Y/Ë }. Результат вычисления

L цифровом коде псст,пает на второй вход умкожктеля 127 а на его первый вход подается сигнал с выхода коммутатора 6, управляемого компаратором 3. Если за время накоплеп7В!» происходит переключение компаратора 3, то ка правый вход умножителя 12 подается опорное напряжение источника 4, в противно"; случае — световой сигнал с выхода усилите,-.я 2. Так. м образом, с помощью ком лу..: т ра 5 реализ ется функция

1- ВВ с ВЗ7 7- оп

7- - .В . сВ -- UOI! где . I —,:;»ðÿ к;=.кне ка вь.ходе коммутато7:а б;

U., -- — вели- ипа опорного напряжения источника 4;

U.a †- величина светового сигнала.

Ф: р гиpовак вь::."одного сигнала осуществляется умкоже. кем этого сигнала ка тангенс угла наклона Z и определяется соотношением

U„„„=Z. U, Время фотометрирования при больших уровнях освещенности определяется минимальным временем нарастания светового сигнала до величины опорного напряжения, а при малых интенсивностях — временем накопления. задаваемым двоичным кодом на управляющем входе фотометра. Величина времени накопления выбирается в зависимости от нижнего порога регистрируемого сигнала. Так как уровень светового сигнала в предлагаемом устройстве не может пре15 вышать величикы опорного напряжения. то дик!амическнй.:иапазон сигнала на выходе усилителя 2 определяется из соотношения 77..

U,, 7

ВСД77Л где (1В — уровень опорного напряжения;

U„„,, — уровень сигнала кедокомпенсации к концу времени накопления.

Поскольк 5РТВВВ с С

СВ где Р— мощность оптического излучения (Вт);

5 — токовая чувствительность фотодиода (A/В);

С вЂ” емкость фотодиода;

К вЂ” коэффициент усиления усилителя, то для известного устройства фотометрирование осуществляется при выполнении равенства а для предлагаемого устройства

5РТнакВ

К= — — =U — КСДОК.

Так как в равенствах варьируемым параметром является только время накопления, то 77ВВ i!T! a g т. е. максимально допустимое время накопления известного устройства превышает максимально допустимое время накопления предлагаемого фотометра в 0 раз.

Так как для большинства фотодиодов

0=20, то и быстродействие предлагаемого устройства Ilo сравчению с известным при

5Q фотометрировании оптических полей с низким уровнем освещенности увеличивается примерно в 20 раз.

В связи с тем, что окре, еленке такгскса угла наклона характеристики фотодиода осуществляется liiiôðoâûì методом, То динамический диапазон устройства ограничивается лиль аналоговой частью умкожитеJiÿ !2.. 1ля дальнейшего расширения дика1404839

Формула изобретения

Составитель А. Ястребов

Редактор Г. Волкова Текред И. Верес Корректор Л. Пилипенко

Заказ 309!/43 Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ! 3035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 мического диапазона необходимо на выходе коммутатора 6 поставить аналого-цифровой преобразователь и применить цифровой умножитель.

Фотометр, содержащий фотодиод, катод которого соединен с инвертирующим входом усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход — к аноду фотодиода и к инвертирующему входу компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, коммутатор, первый и второй коммутируемые входы которого подключены соответственно к компенсатору темнового тока и к источнику эталонного напряжения, управляющий вход коммутатора соединен с выходом одновибратора, а выход — с катодом фотодиода, отличающайея тем, что, с целью увеличения быстродействия фотометра при низких уровнях освещенности, в него введены второй коммутатор, прямой и реверсивный двоичные счетчики, вычислитель, умножитель, элемент ЗИ, элемент

2ИЛИ, элемент задержки и задающий !енератор, при этом первый и второй коммутируемые входы второго коммутатора подключены соответственно к выходу усилителя и к источнику опорного напряжения, его управляющий вход соединен с первым входом элемента ЗИ, вторым входом элемента

2ИЛИ и выходом компаратора, выход второго коммутатора соединен с первым входом умножителя, выход которого является выходом фотометра, выход элемента 2ИЛИ подключен к инициирующему входу вычислителя и через последовательно включенный элемент задержки соединен с входом одновибратора, синхронизирующим входом реверсивного счетчика и установочным входом прямого счетчика, выход которого подключен к информационному входу Х вычислителя, выход реверсивного счетчика соединен с первым входом элемента 2ИЛИ, выход вычислителя подключен к второму входу умножителя, вычитающий и суммирующий входы соответственно реверсивного и прямо=

20 го счетчиков объединены и подключены к выходу элемента ЗИ, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, третий вход — с выходом одновибратора, а информационный вход Y вычислителя и информационный вход реверсивного счетчика объединены и являются управляющим входом фотометра.