Фотометр Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

4

00

со

СО

1

Изобретение относится к оптоэлектрон- ной технике и может быть использовано для фотометрирования оптических полей, имеющих и ирокий 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 I подключен к выходу усилителя 2, а его катод - к инвертирующему входу усилителя 2, компаратор 3, источник 4 опорного напряжения, коммутаторы 5 и б, компенсатор 7 темнового тока, источник 8 эталонного напряжения, счетчик 9 реверсивный, счетчик 10 прямой, вычислитель 11, умножитель 12, элемент

2ИЛИ 13, элемент 14 задержки, элемент

3И 15, задающий генератор 16 и одновиб- ратор 17. Неинзертирующий вход усилителя 2 подключен к общей щине источника питания устройства, а его инвертирующий вход - к выходу коммутатора 5, первый

и второй входы которого подключены COO t

ветственно к компенсатору 7 темнового 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 источнику 4 опорного напряжения. Кроме того, выход коммутатора 6 соединен с первык зходогу; умножителя 12, выход компаратора 3 подключен к управляющему входу компаратора б, перво- Fviy входу элемента 3 I-i 15 и второму входу элемента 2 ИЛИ 13, первый вход которого соединен с выходом счетчика 9, а его выход - с инициирующим входом вычислителя 11 и через элемент 14 задержки - с установочным входом счетчика 0, синхронизирующим входом счетчика 9 и через последовательно включенный од.човибратор 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 которого подключен к задающему генератору 16, а третий - к выходу одновиб- ратора 17. При этом выход счетчика 10 подключен к информационному входу А вычислителя 11, а информационный вход У вычислителя 11 объединен с информационным входом счетчика 9 и является управляющим входом фотометра. Выходом фотометра является выход умножителя 12, к второму информационному входу которого подключен выход Z вычислителя 11.

Задающий генератор 16 имеет типовуьо схему и может быть реализован на микросхемах щирокого применения (нап; : ; г ер, 155 серии).

Счетчики 9 и 10 выпускаются промыщ- ленностью в интегрально.м исполнении (например, 155 ИЕ7) и их прямой или инверсный режим работы определяется соответст- вующей коммутацией управляющих выводов микросхем.

В качестве умножителя 12 можно использовать умножающий цифроаналоговый преобразователь (например, 572 ПА1), величина выходного сигнала которого прямо про

порциональна величинам входного сигнала

и коэффициенту пропорциональности, задаваемому двоичным кодом.

Вычислитель i1 реализует операцию деления , причем значения делителя и делимого задаются двоичным кодом. Операция деления может производиться по известным алгоритмам, а сам вычислитель может быть выполнен по типовой схеме.

В, простейщем случае для реализации операции деления можно использовать мат- рицу постоянного запоминающего устройства, в которой двоичная комбинация входных сигналов однозначно определяет кол бикь- цию выходного кода. Использование матричного постоянного запоминающего устройства позволяет задавать необходимый захст: соответствия между уровнем освещенности фотометрируемого объекта и величиной выходного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток, падая на фотодиод , работающий в режиме накопления заряда, определяет уровень светового сигнала на выходе усилителя 2, причем в мо.мент разряда фотодиода 1 инвертирующий Бход усилителя 2 через коммутатор 5 подключается к компенсатору 7 темнового тока. Выходное напряжение усилителя 2 сравнивается с опорным напряжением источника 4 на -компараторе 3 и, если величина опорного напряжения источника 4 превыщает уровень свето- вого сигнала, то элемент 3 И 15 разрещает прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 16 на вычитающий и суммирующий входы соответственно счетчиков 9 и 10. При фотометрировании слабых световых потоков, когда уровень светового сигнала соизмерим с уровнем сигнала недокомпен- сации темнового тока фотодиода 1 и его величина не достигает величины опорного напряжения источника 4, счетчик 9 определяет максимально допустимое время накопления заряда на фотодиоде 1. Это время задается двоичным кодом Г,,а„(Г1, Ту,, ..., Tfi } на уп- равляющем входе фотометра. Абсйл;о 1- С.е значение времени накоплеки ; определяется соотноигением

ТТ, 2°i-T2-2 Jt-.-f « 2--- и а к. АТл

гдеГнак. А - абсолютное значенке вр ;мен; накопления заряда;

F - частота задающего генератора; Л/ - число двоичных разрядов счот- чика.

В случае интенсивных световых IIOTOKOB, когда уровень сигнала на выходе усилителя 2 превышает величину опорного напряжения источника 4, момент переключения компара- ратора 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 14 задержки, устанавливает счетчик 10 в нулевое состояние. По этому же задержанному сигналу в счетчик 9 записывается код, находяш,ийся на его информационных входах, а также производится запуск одновибратора 17, который переключает коммутатор 5, подключающий инвертирующий вход усилителя 2, а следовательно, и катод фотодиода 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 15.

По истечении времени релаксации одно- вибратора 17 цикл работы устройства повторяется.

Для формирования выходного сигнала вычислитель И определяет 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. ). Результат вычисления в цифровом коде поступает на второй вход умножителя 12, а на его первый вход подается сигнал с выхода коммутатора 6, управляемого компаратором 3. Если за время накопления происходит переключение компаратора 3, то на правый вход умножителя 12 подается опорное напряжение источника 4, в противном случае - световой сигнал с выхода усилителя 2. Таким образом, с помоп1ью коммутатора о реализуется функция

/- Wont- cBs L ori

III .fl

I J он

где (/ - напряжение

тора 6; L/or.- величина опорного

источника 4;

У,:,, - величина светового сигнала. Формирование выгодного сигнала осуществляется умноже; нем этого сигналя

на выходе коммута- напряжения

на тангенс угла наклона Z и определяется соотношением

u,,.z-u.

Время фотометрирования при больщих

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 превышать величины опорного напряжения, то динамический .иапазон сигнала на выходе усилителя 2 определяется из соотношения

- нодок

где и„„ - уровень опорного напряжения; недок- уровень сигнала недокомпенса- ции к концу времени накопления. Поскольку

25

т t / нак

Ь св л ,

где Р - мощность оптического излучения

(Вт);

S - токовая чувствительность фотодиода (А/В); 30 С - емкость фотодиода;

Л - коэффициент усилени.я усилителя, то для известного устройства фотометриро- вание осуществляется при выполнении равенства

, / -/1 5РГ.щл1Г) 11

on - LJ и нелок,

а ДЛЯ предлагаемого устройства

,ЗРТлак-2J .

г кедок.

Так как в равенствах варьируемым параметром является только время накопления то

IIиК / мак 2

Т. е. максимально допустимое время накоп- ления известного устройства превыщает максимально допустимое время накопления предлагаемого фотометра в D раз.

Так как для большинства фотодиодов , то и быстродействие предлагаемого устройства по сравнению с известным при фотометрировании оптических полей с низким уровнем осве ценности увеличивается примерно в 20 раз.

В связи с тем, что О11ределе1П1е тангенса угла наклона характеристики фотодиода осуществляется цифровым методом, то динамический диапазон устройства ограничивается лишь аналоговой частью умножителя 12. Для дальнейшего расширения динамического диапазона необходимо на выходе коммутатора 6 поставить аналого-цифровой преобразователь и применить цифровой умножитель.

Формула изобретения

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, отличающийся 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 1ене- ратор, при этом первый и второй коммути0

5

0

5

руемые 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 одно- вибратора, синхронизирующим входом реверсивного счетчика и установочным входом прямого счетчика, выход которого подключен к информационному входу X вычислителя, выход реверсивного счетчика соединен с первым входом элемента 2ИЛИ, выход вычислителя подключен к второму входу умножителя, вычитающий и суммирующий входы соответственно реверсивного и прямого счетчиков объединены и подключены к выходу элемента ЗИ, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, третий вход - с выходом одновибратора, а информационный вход У вычислителя и информационный вход реверсивного счетчика объединены и являются управляющим входом фотометра.

Изобретение относится к оптоэлектрон- ной 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