能实现人眼仿真的集成可见光亮度传感器LX1970
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关键词：亮度；人眼仿真；传感器；背光源；测量；LX1970
１ 主要特点
目前，笔记本电脑、个人数字助理（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉ-ｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ，简称ＰＤＡ）、平板电视和手机均采用液晶显示器（ＬＣＤ）。但ＬＣＤ本身并不发光，它只反射或透射外界光线。为便于在光线较暗的环境中或夜间观察屏幕，就必须给ＬＣＤ加背光源以增强对比度。利用可见光亮度传感器就可根据环境亮度来自动调节背光源（一般为白色发光二极管）的亮度，这样不仅能获得最佳显示效果，还能降低背光源的功耗。
图1
美国微型半导体（Ｍｉｃｒｏｓｅｍｉ）公司推出了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器ＬＸ１９７０，利用该器件可构成平板显示器的亮度监控系统。此外，它还可用做户外照明灯（例如路灯）控制器，以使照明灯能在黄昏时自动开启，清晨时自动关闭。
ＬＸ１９７０型可见光亮度传感器的性能特点如下：
●内含ＰＩＮ型光电二极管、高增益放大器和两个互补式电流输出端?该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似，因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，并将接收到的可见光转换成电流信号，进而对背光源的亮度进行控制。
●峰值发光波长为５２０ｎｍ，电流灵敏度为０．３８μＡ／ｌｘ，暗电流为１０ｎＡ。
●非线性误差小，重复性好。两个互补输出端的电流不对称度仅为±０．５％，可任选一端作为输出。
●外围电路简单，价格低廉，使用方便。无须使用滤光片即可有效衰减紫外光及红外光。
●微功耗，低压供电。采用２～５．５Ｖ电源，电源电流可低至８５μＡ（典型值）。工作温度范围为－４０℃～＋８５℃。其外形尺寸仅为２．９５ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ。
２ ＬＸ１９７０的工作原理
ＬＸ１９７０采用ＭＳＯＰ－８表贴塑料封装，其引脚排列和内部框图如图１所示。
ＬＸ１９７０芯片正面有一个面积为０．３６９ｍｍ２的受光区。ＵＤＤ和ＵＳＳ分别接电源的正、负极。ＳＮＫ为电流接收器的引出端，ＳＲＣ为输出电流源的引出端。其余ＮＣ均为空脚。芯片工作时?由光电二极管产生的光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端，其中一个是电流吸收器的引脚ＳＮＫ，另一个是输出电流源的引脚ＳＲＣ，二者的电流分别为ＩＳＮＫ 和ＩＳＲＣ。其中ＩＳＮＫ为灌入芯片中的电流，简称灌电流。这两种电流信号通过Ｒ１、Ｒ２可分别转换成电压信号ＵＳＮＫ、ＵＳＲＣ。改变Ｒ１（或Ｒ２）的电阻值可调整电压增益，电阻值允许范围是１０ｋΩ～５０ｋΩ。Ｃ１和Ｃ２为滤波电容，可用来决定传感器的响应时间。输出ＵＳＮＫ与环境亮度成反比，ＵＳＲＣ与环境亮度成正比，二者呈互补输出特性，可任选一路信号作为输出电压ＵＯ。
ＬＸ１９７０的相对灵敏度与波长的响应曲线如图２中的粗线所示，细线是人眼的响应曲线（峰值波长为５５０ｎｍ）。由图可见，ＬＸ１９７０接收光的波段与人眼非常相近，并且也象人眼一样灵敏。其峰值波长λＰ为５２０ｎｍ，波段大约为３５０ｎｍ～８００ｎｍ，能覆盖整个可见光波段（４００ｎｍ～７００ｎｍ），而紫外光波段（＜４００ｎｍ?和红外光波段（＞７００ｎｍ）都很窄，这表明它对可见光的接收灵敏度最高。ＬＸ１９７０在峰值波长为５２０ｎｍ时的灵敏度Ｋ为０．３８μＡ／ｌｘ，即照度每变化１ｌｘ（勒克斯），输出电流变化０．３８μＡ。将照度转换成亮度Ｌ（其单位是ｃｄ／ｍ２）时，可假定光线照射在一个能满足全反射条件的理想平面上，然后根据１ｌｘ＝０．３１４ ｃｄ／ｍ２进行转换即可得到亮度值。通常，可用实验的方法来测定亮度与照度的比例系数。
３ ＬＸ１９７０的典型应用
３．１ 白光亮度测量电路
测量白光亮度的电路如图３所示。该电路在工作时?先由ＲＣＣ、电流源和白光ＬＥＤ组成的光源发射出可见光，再由ＬＸ１９７０接收该可见光并转换成电流信号。接下来在ＳＮＫ端、ＳＲＣ端各串联一块微安表以分别测量光电流ＩＳＮＫ和ＩＳＲＣ，这样?微安表的读数值就反映了亮度的高低。
３．２ ＬＣＤ背光源亮度自动控制电路
当环境亮度明显变暗时，ＬＸ１９７０能自动开启ＬＣＤ的背光源以使白色ＬＥＤ发光。其亮度自动控制电路如图４所示。图中?电阻Ｒ１和Ｒ２用于设定控制亮度的最小值与最大值。改变电容器Ｃ的容值可调整响应时间并能滤除５０Ｈｚ电网干扰。ＬＸ１９７０采用＋３．３Ｖ～＋５Ｖ电源。若只使用ＳＲＣ端，则ＳＮＫ端应悬空。假定需用０．２５Ｖ～１．２５Ｖ的输出电压来驱动白光ＬＥＤ，０．２５Ｖ代表ＬＥＤ的亮度最小值，１．２５Ｖ代表亮度最大值?那么，可由下式确定Ｒ１与Ｒ２的比例关系?
Ｒ１＝[(３／０．２５）－１]Ｒ２＝１１Ｒ２
可根据ＬＸ１９７０在给定亮度下的输出电流最大值（ＩＳＲＣｍａｘ）来计算Ｒ２值。实际上?在ＩＳＲＣｍａｘ为５０μＡ时?Ｒ２为２５ｋΩ，这样?代入上式即可得到２７５ｋΩ的Ｒ１值。
３．３ ＬＸ１９７０评估板的设计
利用ＬＸ１９７０评估板（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ）不仅能检查出ＬＸ１９７０的质量好坏，还可对ＬＣＤ背光源亮度控制电路进行各种实验，以便为开发新产品提供依据。此外，评估板上的元器件布局以及印制电路的设计也具有参考价值。ＬＸ１９７０的评估板电路如图５所示。它具有以下特点：
第一，可利用一个转盘（上面开着７个不同孔径的小孔）来改变ＬＸ１９７０入射光窗口的大小，转盘与传感器一同装在机壳内；
第二，通过电位器ＲＰ１～ＲＰ３调整放大器的增益，再经过ＬＸ１９７０驱动两只白色发光二极管（ＬＥＤ１、ＬＥＤ２）发光，以实现亮度调节，从而适应不同的环境亮度条件；
第三，分别改变跳线器Ｊ１～Ｊ４的接线方式，以对不同电路进行隔离或偏置；
第四，该电路有４个可选择的控制端口，包括ＳＲＣ的分压二极管引出端口（Ａ）、ＳＲＣ的电压调整端口（Ｂ）、ＳＲＣ的固定电压端口（Ｃ）和ＳＮＫ的电压调整端口（Ｄ）。此外，还有两个输出端（ＳＲＣ、ＳＮＫ）?其中，端口Ａ为下拉端（经外部电位器接地，可代替ＬＸ１９７０手动调整亮度）。端口Ｂ、Ｃ、Ｄ均为上拉端（经外部电路接正电源或其它正电压）。端口Ｂ和端口Ｃ用于设置最低输出电压（将ＲＰ１调至最小）或调节ＳＲＣ端的输出。端口Ｄ用来设置最高输出电压（将ＲＰ２调至最大）或调节ＳＮＫ端的输出。
跳线器Ｊ１用来选择电源，当Ｊ１连到“ＬＸ１９７０”位置时，系统只给ＬＸ１９７０供电；Ｊ１连至“ＬＥＤ驱动”位置时，则可同时给ＬＸ１９９０供电，ＬＸ１９９０为ＬＥＤ的驱动控制器。Ｊ２置于“ＳＲＣ开路”位置时，将断开ＳＲＣ引脚的外围电路；Ｊ２置于“分压”位置时，则将接通ＳＲＣ引脚的外围电路。Ｊ３置于“ＶＤ２输入”位置，可将隔离二极管ＶＤ２短路；而Ｊ３置于“ＶＤ２输出”位置时，ＶＤ２则不被短路。Ｊ４置于“驱动”位置时将ＳＮＫ端的输出接到ＬＸ１９９０的输入端ＩＳＥＴ；Ｊ４置于“ＳＮＫ上拉”位置时， ＳＮＫ端的输出将经过端口Ｄ接高电平。
需要说明的是：第一，使用端口Ｂ时?允许将外部ＰＷＭ信号加至由（ＲＰ１＋Ｒ１）和（ＲＰ２＋Ｒ３）构成的分压器的高端，然后通过调节ＲＰ１和ＲＰ２的值来控制分压比；第二，使用端口Ｃ时?可用直流电压来控制亮度；第三，利用Ｃ１和Ｃ３可降低ＬＸ１９７０的响应速度，以避免传感器受外部５０Ｈｚ光源频率的影响。
图5
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