Многоканальный фотометр Советский патент 1990 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано при фотомет- рировании одномерных или двумерных

статических оптических полей с широ- ким динамическим диапазоном по осве щенности.

Цель изобретения - повышение точности фотометрирования статических оптических полей с широким диапазоном изменения освещенности.

На фиг.1 изображена функциональная схема многоканального фотометра; на фиг.2 - схема элементарной ячейки фотодиодного датчика изображения; на фиг.З и 4 - функциональные схемы блока опроса для линейного и матричного датчиков; на фиг.5 - вычислительное устройство; на фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу многоканального фотометра.

Многоканальный фотометр содержит фотодиодный датчик 1 изображения (в дальнейшем - датчик 1), согласующие усилители 2, блок 3 опроса, преобразователь 4 ток - напряжение, ана- лого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6, элемент 2ИЛК 7, мультиплексор 8, адресный счетчик 9, счетчик 10 числа опросов, триггер 11 готовности и вычислительное устройство 12. При этом выводы стирания и опроса датчика 1 через согласующие усилители 2 подключены к соответствующим выходам 13 и 14 блока 3 опроса, а выход датчика через последовательно включенные преобразователь 4 ток - напряжение и АЦП 5 соединен с первыми информационными входами ОЗУ 6. Вход запуска АЦП 5 подключен к тактовому выходу 15 блока 3 опроса, выход переполнения соединен с первым входом элемента 2ИЛИ 7, а выход конца преобразования подключен к второму входу элемента 2ИЛИ 7 и первому входу мульти- плексора 8. Выход мультиплексора 8 соединен с тактовым входом адресного счетчика 9, вход сброса которого объединен с входом синхронизации блока 3 опроса, входом записи счетчика 10 числа опросов, входом сброса триггера 11 готовности и подключен к выходу 16 запуска вычислительного устройства 12 Выходы адресного счетчика 9 соединены с адресными входами ОЗУ 6, а выход переполнения подключен к тактовому входу счетчика 10 числа опросов, информационные входы которого соединены с одноименными выходами 17 вычислительного устройства 12, выход пере- полнения счетчика 10 соединен с тактовым входом триггера 11 готовности, а выходы подключены к вторым информационным входам ОЗУ 6. Вход записи

ОЗУ 6 соединен с выходом элемента 2ИЛИ 7, а информационные выходы подключены к одноименным входам 18 вычислительного устройства 12, выхрд которого является выходом устройства. Выход 19 управления вычислительного устройства 12 соединен с вторым входом мультиплексора 8, а вход 20 ожидания готовности объединен с входом управления мультиплексора 8 и подключен к выходу триггера 11 готовности, причем на информационном входе этого триггера установлен потенциал логической единицы.

В качестве фотодиодного датчика 1 изображения, предназначенного для преобразования излучения в электрический сигнал, можно использовать, например, фотодиодную линейку или фотодиодную матрицу.

В состав схемы (фиг. 2) элементар ной ячейки датчика 1 входят фотодиод 21, транзистор 22 стирания, усилительный транзистор 23 и коммутирующий транзистор 24, Выводы катодов всех фотодиодов ячеек объединены и соединены с положительным выводом +Un источника питания. Стоки всех транзисторов стирания также объединены и подключены к общему выводу источника питания. Стирание сигнала производится путем подачи на затвор .транзистора 22 стирания низкого уров-i ня напряжения. Считывание токового сигнала 1С со стока усилительного транзистора 23 происходит при подаче на затвор коммутирующего транзистора 24 нулевого, а на его исток - положительного напряжения о

В матричных датчиках затворы всех транзисторов 22 стирания объединены и подключены к выводу стирания, истоки коммутирующих транзисторов 24 также объединены и соединены с выводом опроса строк, а затворы этих транзисторов подключены к выводам опроса |столбцов.

В линейных датчиках затворы тран- зисторов 22 стирания и коммутирующих транзисторов 24 подключены к выходам соответствующих цифровых сдвигающих регистров, которые управляются тактовыми импульсами опроса, а на истоки коммутирующих транзисторов 24 подается постоянное напряжение.

Таким образом, в матричных датчиках стирание информации осуществляется одновременно, а в линейных последовательно во времени,, Схема элементарной ячейки датчика, приведенная на фиг.2, позволяет осуществлять неразрушающее считывание информации в процессе ее накопления, поскольку цепи накопления и считывания сигнала разделены усилительным транзистором 23.

Согласующие усилители 2 служат для согласования временных и амплитудных параметров импульсных управляющих напряжений, формируемых блоков 5 опроса и требуемых для работы датчика 1 Эти усилители могут быть выполнены, например, на базе буферных элементов, предназначенных для работы на емкостную нагрузку.

Блок 3 опроса обеспечивает формирование импульсных напряжений опроса и стирания в соответствии с типом датчика. Этот блок может быть выполнен н на базе микросхем широкого применения 155, 176 серии по схеме, приведенной на фиг.З и 4 (фиг.З - для линейных датчиков, фиг.4 - для матричных).

На фиг.З дешифратор 25 в совокупности со счетчиком 26 и генератором 27 формирует тактовые импульсы опроса цифровых сдвигающих регистров датчика 1 и тактовый импульс 15 запуска АЦП 5 о Счетчик 28 формирует строчный импульс считывания Ucrp, который входит в число импульсов 14 опроса. Импульс 13 стирания формируется непосредственно из импульса на входе 16 синхронизации„

На фиг.4 импульсы 14 опроса строк и столбцов датчика 1 формируются соответственно регистрами 29 и 30, а дешифратор 31 формирует только тактовый импульс 15 запуска А1Щ 5.

Преобразователь ток - напряжение может быть реализован на базе операционного усилителя по известной схеме.

АЦП 5, кроме сигнального входа, входа запуска, информационных выходов и выхода конца преобразования, имеет выход переполнения, на котором при превышении входным сигналом определенного уровня появляется высокий уровень сигнала.

ОЗУ 6 предназначено для запоминания отсчетов сигнала датчика 1 и номера опроса с выхода соответствующего счетчика 10, ОЗУ 6 может быть выполнено на базе микросхем широкого применения, емкость которых сравнима

0

5

0

5

с числом ячеек выпускаемых отечественных фотодиодных датчиков изображений . Число информационных входов ОЗУ 6 должно быть равно сумме числа выходов АЦП 5 и счетчика 10. Запись сигнала в ОЗУ 6 производится при подаче напряжения низкого уровня на вход записи

Вычислительное устройство 12 предназначено для приема данных из ОЗУ 6, определения состояния триггера 11 и для инициации процесса фотометриро- вания. Возможная схема выполнения вычислительного устройства 12 приведена на фиг.5 (типовые блоки ЭВМ - процессор, стандартные периферийные платы, и устройства на фиг.5 не показаны) . В состав вычислительного устройства 12 входят шинные приемопередатчики 32, дешифратор 33 управляющих сигналов и приемники 34 и 35, При этом выходы шинных приемопередатчиков

32подключены к входам дешифратора

33управляющих сигналов и одновременно являются информационными выходами 17 вычислительного устройства 12, Дешифратор 33 формирует два управляющих сигнала ввода ВВО и ВВ2 и один сигнал

0

5

5

ВЫВО. Сигнал ВВО используется для стробирования приемника 34, пропускающего сигнал с входа 20 ожидания готовности на вход приемопередатчиков 32 и далее в канал ЭВМ. Сигнал ВВ2 служит для формирования импульса на выходе 19 управления и для стробирования приемника 35, подключающего информационные входы 18 к входам Шинного приемопередатчика 32. Сигнал 0 ВЫВО используется для формирования импульса на выходе 16 запуска.

Таким образом, входящие в многоканальный фотометр элементы выпускают ся промышленностью в виде готовых микросхем либо образуются из них с помощью стандартных схемотехнических решений в соответствии с функциональным назначением элементов и описанием работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

Начало цикла фотометрирования инициируется вычислительным устройством 12 (фиг.1) путем формирования на выходе 16 записи короткого отрицательного импульса (фиг 6), который производит запись данных с информационных выходов 17 вычислительного устройства 12 в счетчик 10 числа оп0

5

росов, сбрасывает адресный счетчик 9, триггер 11 готовности, а также счетчики и регистры в блоке 3 опроса (фиг.3 и 4). Низким уровнем сигнала с выхода 20 триггера 11 готовности мультиплексор 8 переключается на прием сигналов с первого входа. Этот же импульс в блоке 3 опроса проходит на выход 13 стирания и далее через согласующие усилители 2 на соответствующий вход датчика 1. В элементарной ячейке датчика 1 (фиг.2) импульс стирания открывает одноименный транзистор 22 и смещает фотодиод 21 ,в обратном направлении. После снятия импульса стирания транзистор 22 закрывается и начинается разряд емкости обратно смещенного фотодиода 21 током фотогенерациио

При одинаковом действии импульса стирания на элементарную ячейку датчика 1 существуют отличия между стиранием сигнала в линейных датчиках, которое происходит последовательно во времени, и стиранием в матричных датчик-ax, которое осуществляется одновременно во всех ячейкахо

В схемах блока 3 опроса (фиг.З и 4) тактовые сигналы опроса на выходах 14 начинают формироваться сразу после окончания импульса на входе 16 синхронизации, однако появляющиеся при этом на выходе датчика 1 сигналы будут иметь разное время накопления в зависимости от организации-этого датчика. Так, в частности, в линейных датчиках считывание сигнала производится с помощью специального строчного импульса исгр (фиг.З), которьй формируется счетчиком 28 в конце цикла опроса. При одинаковой скорости сдвига стирающего и считывающего импульсов все элементы датчика будут накапливать сигнал в течение одинакового интервала времени, равного длительности цикла опроса. При увеличении числа опросов время накопления увеличивается вдвое, втрое и т„д.

В матричных датчиках время накоп- ления в первом цикле опроса изменяется линейно от нуля для первого элемента до длительности цикла опроса для последнего опрашиваемого элемента. В последующих циклах опроса время накопления сигнала в каждом элементе получает одинаковое приращение и отмеченная разность сохраняется.

0

5

0

5

0

5

0

45

55

Рассмотренную особенность изменения времени накопления в линейных и матричных датчиках необходимо учитывать при расчете освещенности их элементов.

Длительность цикла опроса датчика I должна выбираться таким образом, чтобы при максимальной освещенности сигнал датчика Uc (фиг.6) за время первого цикла не достиг уровня переполнения А11П 5. Поэтому в первом цикле на выходе переполнения АЦП 5 постоянно будет установлен нулевой уровень и импульсы с выхода конца преобразования этого АЦП, формирующиеся после прихода импульсов запуска АЦП с тактового выхода 15 блока 3 опроса, через открытый элемент 2ИЛИ 7 пройдут на вход записи ОЗУ 60 Одновременное по- - ступление импульсов конца преобразования через мультиплексор 8 па тактовый вход адресного счетчика 9 позволяет записать в ОЗУ Ь отсчеты всех элементов датчика 1, формирующиеся на информационных; выходах АЦП 5, в совокупности с текущим номером опроса, поступающим с выхода счетчика 10 числа опросов. После окончания цикла опроса импульсом с выхода переполнения адресного счетчика 9 содержимое счетчика 10 числа опросов увеличивается на единицу.

В последующих циклах опроса вследствие увеличения времени накопления сигнала в наиболее освещенных ячейках датчика 1 может превысить уровень переполнения АЦП 5 и на его выходе переполнения появится сигнал высокого уровня, который блокирует прохождение импульсов конца преобразования АЦП 5 через элемент 2ИЛИ 7 на вход записи ОЗУ 6. При этом в соответствующей ячейке ОЗУ 6 сохраняется отсчет сигнала предыдущего опроса и номер этого опроса.

После выполнения заданного числа , опросовj что эквивалентно формированию заданного времени накопления, происходит переполнение счетчика 10 числа опросов и задним фронтом импульса переполнения с его выхода триггер 11 готовности устанавливается в 1 (фиг.6). Высоким уровнем сигнала с его выхода мультиплексор 8 переключается на прием сигналов с второго входа, т.е. управление адресным счетчиком 9, а следовательно, и ОЗУ 6 переходит к вычислительному устройству

91

12. Момент такого перехода вычислительное устройство 12 определяет по состоянию входа 20 ожидания готовности с помощью приемника 34 (фиг.5), стробируемого непрерывно импульсом ВВО. После обнаружения сигнала готовности на входе 20 вычислительного усройства 12 на выходе 19 управления формирует серию импульсов (фиг06), число которых равно емкости ОЗУ 6. С помощью этих импульсов адресным счетчиком 9 производится последовательная установка всех адресов ОЗУ 6 и информация с его выходов через информационные входы 18 вычислительного устройства 12 и приемники 35, стробируемые сигналом ВВ7, передаетс на вход приемопередатчиков 32 и далее в ЭВМ.

Отсчет сигнала и порядковый номер опроса разделяются в ЭВМ вычислительного устройства 12 программно, исходя из разрядности АЦП 5 и счетчика 1

освещен

числа опросов. Величина Е. ности j-й ячейки датчика, опрошенной i раз до появления сигнала переполнения, при линейном характере накопления сигнала может быть рассчитана с следующим образом

,N3, ,N

о

(О

величина отсчета сигнала j-й ячейки; Ти- величина времени накоплеН I )

-мм

-ния сигнала j-и ячейки;. i-T0 - для линейных датчиков ;

Hij

для матричных

датчиков;

Т0 - длительность цикла опроса;

N0 - число опросов;

N - число элементов датчика. Поскольку в счетчике 10 числа опросов счет ведется в прямом направлении, для формирования сигнала переполнения при заданном числе опросов в этот счетчик необходимо заносить дополнительный код N L требуемого числа опросов, уменьшенный на единицу

N

NC4 N0 -I

(2)

где N с ц число состояний счетчика 10

При этом порядковый номер отсчета i будет определяться следующим образом

10

i N

ОЗУ

N°r

(3)

0

5

0

5

5

0

где NOJ - номер считывания, хранившийся в i-й ячейке ОЗУ 6. Описанный принцип работы многоканального фотометра позволяет выбирать время накопления сигнала в каждой ячейке датчика 1 в соответствии с в уровнем ее освещенности, т.е. для элемента с низким уровнем освещенности устанавливается большее время накопления и наоборот. Возможность такой установки времени накопления в процессе самого накопления в фотодиодных датчиках изображения определяется неразрушоющим характером считывания сигнала, что позволяет считывать сигнал и анализировать его уровень в процессе накопления, и низким коэффициентом взаимовлияния элементов датчика, что позволяет увеличить время накопления в ячейке высокой освещенностью без искажения сигнала в ячейках с низкой освещенностью

При описанном принципе работы многоканального фотометра величина отсчета сигнала любой ячейки датчика 1 при достаточном числе опросов 0 заведомо будет находиться в верхней половине диапазона входных напряжений АЦП 5 и относительная погрешность измерения освещенности не будет возрастать с уменьшением освещенности, как это имеет место при фиксированном для всех ячеек датчика 1 времени накопления.

Таким образом, точность измерения освещенности статических оптических полей в предложенном устройстве будет в N0/N,, раз лучше по сравнению с устройством, работающим при фиксированном времени накопления, где N0 - общее число опросов датчика 1; N7 число опросов до первого переполнения сигнала0 Поскольку длительность накопления сигнала в реальном датчике ограничена временем насыщения тем- новым сигналом (порядка секунды), а скорость опроса - быстродействием АЦП (порядка нескольких миллисекунд на квантование сигналов датчика), то выигрыш в точности достигает 10-100 раз.

5

0

55

Формула изобре

е н и я

Многоканальный фотометр, содержащий фотодиодный датчик ияобрлжения,

согласующие усилители, блок опроса, преобразователь ток - напряжение и аналого-цифровой преобразователь, отличаю п и и с я тем, что, с целью повышения точности фотометри- рования статических оптических полей с широким диапазоном изменения освещенности, в него введены оперативное запоминающее устройство, адрес- ный счетчик, счетчик числа опросов, мультиплексор, элемент 2ИЛИ, триггер готовности и вычислительное устройство, при этом выводы опроса и стирания фотодиодного датчика изображения через согласующие усилите ли соединены с выходами блока опроса, вьгход фотодиодного датчика изображения через преобразователь ток - напряжение соединен с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска которого подключен к тактовому выходу блока опроса, выход переполнения - к первому входу элемента 2ИЛИ, выход конца преобразова- ния - к второму входу элемента 2ИЛИ и к первому входу мультиплексора, а информационные выходы - к первым информационным входам оперативного запоминающего устройства, выход мульти- г1лексора соединен с тактовым входом

0 5 0

адресного счетчика, пход сброса которого объединен с входом записи счетчика числа опросов, входом сброса триггера готовности, входом синхронизации блока опроса и подключен к выходу запуска вычислительного устройства, адресные выходы адресного счетчика соединены с одноименными входами оперативного запоминающего устройства, выход переполнения - с тактовым входом счетчика числа опросов, информационные входы которого соединены с одноименными выходами вычислительного устройства, выход переполнения - с тактовым входом триггера готовности, информационные выходы - с вторыми информационными входами оперативного запоминающего устройства, вход записи которого подключен .к выходу элемента 2ИЛИ, информационные выходы - к одноименным входам вычислительного устройства, выход управления которого соединен с вторым входом мультиплексора, а вход ожидания готовности объединен с входом управления мультиплексора и подключен к выходу триггера готовности, информационный вход которого подключен к выводу логической единицы.

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано при фотометрировании статических оптических полей с широким динамическим диапазоном освещенности. Целью изобретения является повышение точности фотометрирования. Многоканальный фотометр содержит фотодиодный датчик изображения, выводы опроса и стирания которого через согласующие усилители подключены к одноименным выходам блока опроса, а выход через преобразователь, ток - напряжение соединен с сигнальным входом АЦП. Цикл фотометрирования инициируется вычислительным устройством, которое по информационным выходам импульсом запуска заносит необходимое число опросов в счетчик числа опросов. Этим же импульсом сбрасываются триггер готовности, адресный счетчик и блок опроса. Отсчеты сигнала датчика с выхода АЦП совместно с текущим номером опроса с выхода счетчика записываются в ОЗУ по адресу, формируемому адресным счетчиком. При этом условием выявления импульса записи на выходе элемента 2 ИЛИ является отсутствие переполнения сигналом верхнего уровня входного напряжения АЦП. После выполнения заданного числа опросов в результате переполнения счетчика триггер готовности переключается в единичное состояние и переключает мультиплексор на прием сигналов со второго входа. Вычислительное устройство после получения от триггера готовности сигнала высокого уровня по входу ожидания готовности формирует на выходе управления серию импульсов, число которых равно числу элементов датчика. С помощью этих импульсов вычислительное устройство производит считывание информации из ОЗУ, после чего производится программное разделение отсчетов сигнала и числа опросов датчика, а также расчет освещенности ячеек датчика (в относительных единицах). 6 ил.

Фиг.1

и„

rSlF

21 Ј-2

П

ILb

27

П

26

16

28

23

Ic

1 2

П

XZ

±

ILb

Фиг.г

25

15

:}

s

Ucmp

Фиг.З

rs

Фиг. 8

Составитель А.Ястребов Редактор.Л.Гратилло Техред М.Дидык Корректор м.Шарошн

Заказ I438

Тираж 426

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фиг. 5

Подписное