CN101778191B - 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人眼感光特性、光电传感器，具体讲，涉及符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置。为提出一种适应于人眼在不同光强条件下分辨率特征的大动态范围光电传感器模数转换方法，得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性，本发明采用的技术方案是，包括：对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平，通过时序控制电路设定第一次积分时间，积分完成后通过n位ADC对积分器输出电压进行模数转换，在完成第一次积分和模数转换之后，将积分器复位，开始第二次积分，以第一次积分输出的Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出得到最终输出。本发明主要应用于液晶显示屏亮度控制。
Description
技术领域
本发明涉及人眼感光特性、光电传感器、模数转换、液晶显示屏亮度控制，具体讲，本发明涉及符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法
背景技术
用于液晶显示屏亮度控制的半导体光电传感器是将光强信息转换为模拟或数字信号输出的半导体装置，主要用于液晶显示屏亮度自动控制上。在手机、PMP/MP4、笔记本电脑、电子辞典、数码相机、全球定位系统(GPS)、液晶电视等液晶显示屏应用场合中，环境光强会有非常大的变化。夜间最低光强可以达到0.1lux，而白天最高光强可以达到10000lux，这需要液晶显示屏能够根据光电传感器感知得到外界环境亮度来自动调节显示屏的亮度，改善图像质量，同时降低液晶显示屏的耗电量且延长显示屏的寿命。
如图1所示，传统光电传感器由四部分组成：光电二极管，积分电路、模数转换电路和时序控制电路。时序控制电路完成对光电二极管曝光、积分电路复位等电路工作的控制。其工作过程一般为：首先积分电路进入复位状态，将积分电路输出电压复位到预设电平，同时使二极管工作在反偏状态令其清空在PN结空间势垒区存在的载流子。待其完成复位后，积分电路开始积分，在积分时间T内，积分电路对入射至PN结的光生电流进行积分，并转化成输出电平相对于预设电平的变化。积分过程结束后，后续的模数转换电路将此电平变化直接转换成数字化的输出供外部亮度调节电路使用。整个积分过程和转换过程一次性输出最终的数字化亮度值，其在高光强和低光强条件下维持相同的分辨率水平。由于液晶显示屏的应用环境光强变化范围可达到0.1-10000lux，这要求读出电路输出摆幅非常大，而且精度达到满量程的1/100000，对应模数转换器精度在16位以上。在电源电压低于2V的条件下，如果直接进行模数转换，要求模数转换器能够分辨约为20微伏的微弱信号，这些对于模拟电路的设计都是非常困难的。另一方面，人眼对光线强度的敏感度成对数变化，随着光线强度的增加，人眼对亮度变化的敏感度迅速降低。采用直接16位模数转换结构显然与人眼对光强的响应并不一致，在高光强条件下输出高分辨率的光强信息远远高于人眼的分辨精度，不仅在电路设计上具有较高的难度，而且输出了大量冗余信息。因此，环境光强检测要求光电传感器的模数转换特征与人眼在亮光和暗光条件下响应特性相一致。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种适应于人眼在不同光强条件下分辨率特征的大动态范围光电传感器模数转换方法，得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性。
为达到上述目的本发明采用的技术方案是，符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法，包括下列步骤：
首先积分电路进入复位状态，对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，光电二极管负极输出到积分电路反向输入端进行积分，积分完成后通过n位模数转换器ADC对积分电路输出电压进行模数转换，并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中；
第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整：假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1，第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为：
Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
＝Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定：
Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec；
第二次积分时间T2可通过如下计算得出：
T2＝T1×2n/[Dout1]dec
其中，2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数，脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示；
将第一次输出结果Dout1作为输入，按照前述第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整值及第二次积分时间T2进行第二次积分，第二次模数转换完成后输出n位数字量Dout2，并存储于外部寄存器中，以第二次积分输出Dout2作为低n位输出，以第一次积分输出Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出，即可得到最终的数字化光电传感器输出。
一种符合人眼感光特性的光电传感器模数转换装置，包括：光电二极管、积分电路、积分时间调整电路、模数转换参考电压产生电路，模数转换器、寄存器、一电容和一开关；
光电二极管负极接积分电路反向输入端，积分电路同向输入端为参考电压输入端；
积分电路反向输入端、积分电路输出端并接所述一电容和一开关；
积分电路输出端经模数转换器连接到寄存器进行输出；
模数转换参考电压产生电路分别连接模数转换器、寄存器，用于根据寄存器内相应存储值对模数转换器参考电压值进行调整，具体为：第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整：假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1，第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为：
Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
＝Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定：
Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec；
积分时间调整电路分别连接开关、寄存器，用于根据寄存器内相应存储值操控开关开合对积分电路积分时间进行调整，具体为：对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，积分完成后通过n位ADC对积分电路输出电压进行模数转换，并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中，在完成第一次积分和模数转换之后，将积分电路复位，开始第二次积分，根据第一次模数转换结果确定的光强范围区间，第二次积分时间T2可通过如下计算得出：
T2＝T1×2n/[Dout1]dec
其中，2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数，脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示。
本发明可带来以下技术效果：由于本发明采用n位ADC，通过先后两次积分和两次模数转换，使各亮度区间的有效分辨率随光强增强逐渐降低，在最低光强下实现近似2n位精度，在最高光强下达到n位精度，因而本发明能得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性。
附图说明
图1通常情况下的光电传感器读出电路结构图。
图2两次模数转换传输特性曲线，左侧是第一次n位模数转换，右侧是积分时间和参考电压调整后第二次n位模数转换。横坐标是模拟输入，纵坐标是数字输出。
图3采用所述模数转换方法的最佳实施例。
具体实施方式
首先积分电路进入复位状态，对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，积分完成后通过n位ADC对积分电路输出电压进行模数转换，并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中。在完成第一次积分和模数转换之后，将积分电路复位，开始第二次积分。根据第一次模数转换结果确定的光强范围区间，第二次积分时间T2可通过如下计算得出：
T2＝T1×2n/[Dout1]dec
其中，2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数，脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示。根据上述积分时间确定方法，当第一次积分输出比较小时，表明光强比较弱，倍增系数较大，积分信号再乘以此系数后进行第二次模数转换时可以获得比较高的分辨率；当第一次积分输出比较大时，表明光强比较强，倍增系数较小，积分信号再乘以此系数后进行第二次模数转换时可以获得比较低的分辨率。这种特性与前述人眼对光强的响应是一致的。
由于在第二次模数转换之前，第二次积分时间将随着倍增系数的不同产生差异，假设两次积分和模数转换期间光强信号不变，第二次模数转换的量化范围需要做出相应的调整：假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1，第二次模数转换参考电压最高值Vrefh2(即积分电路复位值)为：
Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
＝Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定：
Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec
如图3所示，由于模数转换电路的比较器本身只有n位的量化精度，而实际的第二次模数转换量化范围又随着亮度的增强不断减小，因此相对于第一次模数转换，第二次模数转换的可量化区间随亮度的增强逐渐减小，即第二次模数转换的分辨率随亮度的增强逐渐减小，具体的说，对于最暗的亮度区间([Dout1]dec＝1)，Vrefh2＝Vrefh1且Vrefl2＝Vrefl1，第二次模数转换的可量化区间仍为2n个，此区间的分辨率仍为n位，而对于最亮的亮度区间([Dout1]dec＝2n)，Vrefh2和Vrefl2仅相差一个可量化区间，此时第二次模数转换将输出同一个数字化输出，即此区间的分辨率为0位。
第二次模数转转换完成后输出n位数字量Dout2，并存储于外部寄存器中。以此作为低n位输出，以第一次积分输出的Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出，即可得到最终的数字化光电传感器输出。
上述的实施方法以图3的电路结构为佳。其中积分电路由运算放大器，积分反馈电容Cb，积分参考电压Vrefh1组成。其曝光和复位操作由与Cb并联的开关S控制，其在复位后S断开的积分时间T1内，连接于运算放大器负端的光电二极管所产生的光电流i转化为输出电压Vout的变化，最终的Vout输出为Vout＝Vref-i×T1/Cb。其中i×T1/Cb正比于光电流，为积分电路的输出电平变化量。此值被与积分电路相连的n位ADC转换为n位Dout1输出，并存储于2n位寄存器的高n位中。同时，Dout1输出作为模数转换参考电压产生电路和积分时间调整电路的输入，依照上述第二次积分时间计算方法和对应的参考电压调整方法，对第二次积分的时间和ADC参考电压进行调整。而后，积分电路以计算得出的积分时间T2开始第二次积分过程，输出调整后的输出电平变化量i×T2/Cb，并进入完成参考电平调整的ADC进行第二次模数转换，转换后不同分辨率的Dout2输出存储于2n位寄存器的低n位中，最终形成2n位数字化输出。
Claims (2)
1.一种符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法，其特征是，包括下列步骤：
首先积分电路进入复位状态，对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，光电二极管负极输出到积分电路反相输入端进行第一次积分，第一次积分完成后通过n位模数转换器ADC对积分电路输出电压进行第一次模数转换，并将第一次模数转换的输出结果Dout1存储在寄存器中；
对第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整：假设第一次模数转换可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1，第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为：
Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
＝Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定：
Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)×(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec；
第二次积分时间T2可通过如下计算得出：
T2＝T1×2n/[Dout1]dec
其中，2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数，脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示；
将第一次输出结果Dout1作为输入，按照前述第二次积分时模数转换的量化范围做出的相应调整值：第二次模数转换参考电压最高值Vrefh2、第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2及第二次积分时间T2进行第二次积分，第二次模数转换完成后输出n位数字量Dout2，并存储于寄存器中，以第二次积分输出Dout2作为低n位输出，以第一次积分输出Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出，即可得到最终的数字化光电传感器输出。
2.一种符合人眼感光特性的光电传感器模数转换装置，其特征是，包括：光电二极管、积分电路、积分时间调整电路、模数转换参考电压产生电路，模数转换器、寄存器、一电容和一开关、时序控制电路；
光电二极管负极接积分电路反相输入端，积分电路同向输入端为参考电压输入端；
积分电路反相输入端、积分电路输出端并接所述一电容和一开关；
积分电路输出端经模数转换器连接到寄存器进行输出；
模数转换参考电压产生电路分别连接模数转换器、寄存器，用于根据寄存器内相应存储值对模数转换器参考电压值进行调整，具体为：首先积分电路进入复位状态，对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，光电二极管负极输出到积分电路反相输入端进行第一次积分，第一次积分完成后通过n位模数转换器ADC对积分电路输出电压进行第一次模数转换，并将第一次模数转换的输出结果Dout1存储在寄存器中；对第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整：假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1，第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为：
Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
＝Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定：
Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)×(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec；
积分时间调整电路分别连接开关、寄存器，用于根据寄存器内相应存储值来操控开关开合从而对积分电路积分时间进行调整，具体为：对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1，通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1，第一次积分完成后通过n位模数转换器ADC对积分电路输出电压进行第一次模数转换，并将第一次模数转换的输出结果Dout1存储在寄存器中，在完成第一次积分和模数转换之后，将积分电路复位，开始第二次积分，根据第一次模数转换结果确定的光强范围区间，第二次积分时间T2可通过如下计算得出：
T2＝T1×2n/[Dout1]dec
其中，2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数，脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示。
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