ИК приёмник на основе микроконтроллера Atmel

Элемент SFH-506 имеет два основных недостатка для функциональности устройства. Первым недостатком является невозможность подстраивания на любую частоту работы ПДУ. А второй недостаток - это невозможность оценки уровня сигнала.

 

Рисунок 2.1 -- Фотоприемник SFH 506

 

2.2 Фототранзисторы, диодные фотоприемники, фоторезисторы

 

Фототранзистор -- это транзистор (обычно биполярный) в котором инжекция неравновесных носителей осуществляется на основе фотоэффекта внутреннего; служит для преобразования световых сигналов в электрические с одновременным усилением последних. Фототранзистор представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину из Ge или Si, в которой при помощи особых технологических приёмов созданы 3 области, называемые, как и в обычном транзисторе, эмиттером, коллектором и базой, причём последняя, в отличие от транзистора, как правило, вывода не имеет. Кристалл монтируется в защитный корпус с прозрачным входным окном [7].

Фототранзистор имеет  структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Основными параметрами  и характеристиками Фототранзистор, как и др. фотоэлектрических приборов (например, фотоэлемента, фотодиода), являются: интегральная чувствительность (отношение  фототока к падающему световому  потоку), у лучших образцов Фототранзистор (например, изготовленных по диффузионной планарной технологии) она достигает 10 а/лм; спектральная характеристика (зависимость чувствительности к монохроматическому излучению от длины волны этого излучения), позволяющая, в частности, установить длинноволновую границу применимости Фототранзистор; эта граница (зависящая прежде всего от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала) для германиевого Фототранзистор составляет 1,7 мкм, для кремниевого – 1,1 мкм; 3) постоянная времени (характеризующая инерционность Фототранзистор) не превышает нескольких сотен мксек. Кроме того, Фототранзистор характеризуется коэффициентом усиления первоначального фототока, достигающим 102–103.

Фотодиод – один из наиболее распространённых видов полупроводниковых приёмников света. Их действие основано на изменении тока через p-n переход при освещении его светом с длиной волны, соответствующей области собственного поглощения полупроводникового материала диода.

В отсутствие освещения и смещения (т.е. в состоянии равновесия) через p-n переход текут компенсирующие друг друга потоки основных и неосновных носителей – электронов из n-области в p-область и навстречу из p- в n-область и дырок из p-области в n-область и навстречу из n- в p- область.

Величины потоков основных носителей зависят от концентрации этих носителей у p-n перехода и от высоты потенциального барьера p-n перехода. Величины же потоков неосновных носителей определяются только их концентрацией у границы слоя объёмного заряда p-n перехода, так как неосновным носителям заряда не нужно преодолевать потенциальный барьер. Каждый неосновной носитель, сгенерированный вблизи p-n перехода и в результате диффузионного движения попавший в область объёмного заряда, подхватывается полем перехода и перебрасывается им через переход в область того же типа проводимости. На рисунке 2.2 показано состоянии фотодиода при воздействии на него излучения.

Рисунок 2.2 -- Фотодиод при воздействии на него излучения

 

Для выбора типа фотоприемника  могут понадобиться основные характеристики фотодиодов.

Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотоэлемента при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему. В формулах 2.1 и 2.2 приведены выражения токовой чувствительности по световому потоку и вольтическая чувствительность по энергетическому потоку соответственно.

;  (2.1)

    (2.2)

Где Iф - ток, проходящий через диод, (А);

Фv - световой поток, падающий на фотодиод, (Лм);

Ev - энергия, попадающая на фотодиод, (Дж).

Шумы. Помимо полезного сигнала на выходе фотоэлемента появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотоэлемента. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотоэлемента складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Спектральные характеристики - это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения [8].

Световые характеристики. Зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

Фоторезистор -- это полупроводниковый прибор, характеризующийся свойством изменять своё электрическое сопротивление под действием оптического излучения. Через фоторезистор, включенный в электрическую цепь, содержащую источник постоянного тока, протекает электрический ток. При облучении фоторезистора ток увеличивается в результате появления фототока, который пропорционален уровню воздействующего сигнала и не зависит от полярности приложенного к фоторезистора напряжения. Появление фототока (или вызванного им изменения напряжения на фоторезистора) используется для регистрации излучений.

Для изготовления фоторезисторов используют Se, Te, Ge (чистый либо легированный Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, CdS, CdSe, HgCdTe. Характерная особенность этих полупроводниковых материалов – малая ширина запрещенной зоны (например, у InSb она составляет 0,18 эВ). Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку либо вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой (пластинку) снабжают двумя контактами (электродами). Подложку с фоточувствительным слоем (или пластинку) и электроды помещают в защитный корпус.

Важнейшие параметры фоторезисторов: интегральная чувствительность, определяемая как отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения при номинальном значении напряжения питания, составляет 103–108 в/вт; порог чувствительности, величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот и достигает 10-12 Вт/Гц 1/2 постоянная времени. Характеризующая инерционность фоторезистора лежит в пределах 10-3–10-8 с.

 

 

 

 

2.3 Выбор элемента для  приемника инфракрасных излучений

 

Первым для рассмотрения элемента приема инфракрасных излучений взят интергральный приемник ИК SFH-506-xx. Для его подключения не нужно применять усилительный каскад и рассчитывать значения дискретных элемнтов. Достаточно соединить выход этого элемента со входным портом микроконтроллера для успешной передачи данных. Но к весомым недостаткам этого элемента относятся отсутствие возможности подстраивать частоту дискретизации, а также определять уровень засвеченности чувствительного элемента.На рисунке 2.4 приведены возможные схемы включения фотодиодов. Как видно из рисунка 2.4, фотодиод может быть включен в двух режимах: в фотодиодном и в фотогальваническом. В обоих случаях используется неинвертирующий усилитель на базе операционного усилителя. В данной схеме усиления поступающего сигнала, кондинсатор С1 служит для отсеивания паразитного сигнала из эфира [9].

В фотодиодном режиме p-n переход  смещается обратным напряжением  величина которого зависит от конкретного  фотодиода от единицы до сотни вольт, чем больше смещение тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь. Схема включения фотодиода в фотодиодном режиме приведена на рисунке 2.3(а).

Недостаток фотодиодного режима в  том, что с ростом обратного тока, в последствии увеличения напряжения или освещения, увеличивается уровень шумов, а уровень полезного сигнала в целом остается постоянным, считается, что в этом режиме диод имеет меньшую постоянную времени.

На рисунке 2.3 (б)  приведена схема включения фотодиода в фотогальваническом режиме. В этом режиме к диоду не прикладывается ни какое напряжение, он сам становится источником ЭДС с большим внутренним сопротивлением. Недостаток фотогальванического режима заключается в ослаблении полезного сигнала с ростом уровня паразитной засветки но уровень шумов не растет, остается постоянным.

Включение Фототранзистора во внешнюю электрическую цепь подобно включению биполярного транзистора, выполненному по схеме с общим эмиттером и нулевым током базы. На рисунке 2.4 в приведена схема включения фототранзистора. При попадании света на базу (или коллектор) в ней образуются парные носители зарядов (электроны и дырки), которые разделяются электрическим полем коллекторного перехода. В результате в базовой области накапливаются основные носители, что приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличению (усилению) тока через Фототранзистор по сравнению с током, обусловленным переносом только тех носителей, которые образовались непосредственно под действием света.

а)

б)

 

Рисунок 2.3 -- Схемы включения фотодиодов в цепь с ОУ

а) Фотодиодная схема включения

б) Фотогальваническая схема включения

 

 

 

Рисунок 2.4 -- Схема включения фототранзистора с общим эммитером с усилением сигнала

 

Схема включения фоторезистора  подобна схеме включения фототранзистрора в усилительный каскад и преведена на рисунке 2.5. В данном случае фоторезистор удерживает достаточно большое напряжение на себе, когда на его поверхность не попадает излучение. Это обусловлено тем, что резистро R1 имеет гораздо меншее сопротивление, чем резистор R2. Когда же на поверхность фототранзистра засвечивается, то напряжение на нем начинает уменшаться, что провацирует наростание выходного сигнала на операционном усилителе.

Рисунок 2.5 -- Схема включения фоторезистора в каскад с усилением сигнала

 

В завершении данного пункта можно отметить, что приемник ИК ДУ должен восстанавливать данные с двухфазным кодированием, он должен реагировать на большие быстрые изменения уровня сигнала независимо от помех. Ширина импульсов на выходе приемника должна отличаться от номинальной не более чем на 10%. Приемник должен быть нечувствительным к постоянным внешним засветкам. Удовлетворить всем этим требованиям достаточно непросто. Старые реализации приемника ИК ДУ, даже с применением специализированных микросхем, содержали десятки компонентов. Такие приемники часто использовали резонансные контуры, настроенные на частоту 36 КГц. Все это делало конструкцию сложной в изготовлении и настройке, требовало применения хорошего экранирования. В последнее время большое распространение получили трехвыводные интегральные приемники ИК ДУ. В одном корпусе они объединяют фотодиод, предусилитель и формирователь. На выходе формируется обычный ТТЛ сигнал без заполнения 36 КГц, пригодный для дальнейшей обработки микроконтроллером. Такие приемники производятся многими фирмами, это SFH-506 фирмы Siemens, TFMS5360 фирмы Temic, ILM5360 производства ПО «Интеграл» и другие. В настоящее время имеются и более миниатюрные варианты таких микросхем. Поскольку кроме RC-5 существуют и другие стандарты, которые отличаются, в частности, частотой заполнения, существуют интегральные приемники для разных частот. Для работы с кодом RC-5 следует выбирать модели, рассчитанные на частоту заполнения 36 КГц. Интегральные приемники весьма чувствительны к помехам по питанию, поэтому всегда рекомендуется применять фильтры, например, RC.

 

 

 

 

2.3 Обзор существующих методик разработки устройств

 

Электронное устройство может рассматриваться как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов, его схема изображена на рисунке 2.6. В качестве входных и выходных сигналов при этом могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы может производиться хранение, накопление сигналов (или информации), но суть от этого не меняется. Если система цифровая (микропроцессорная), то входные аналоговые сигналы преобразуются в последовательности кодов выборок с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выходные аналоговые сигналы формируются из последовательности кодов выборок с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Обработка и хранение информации производятся в цифровом виде [10].

Характерная особенность  традиционной цифровой системы состоит в том, что алгоритмы обработки и хранения информации в ней жестко связаны со схемотехникой системы. То есть изменение этих алгоритмов возможно только путем изменения структуры системы, замены электронных узлов, входящих в систему, и/или связей между ними. Например, если нам нужна дополнительная операция суммирования, то необходимо добавить в структуру системы лишний сумматор. Или если нужна дополнительная функция хранения кода в течение одного такта, то мы должны добавить в структуру еще один регистр. Естественно, это практически невозможно сделать в процессе эксплуатации, обязательно нужен новый производственный цикл проектирования, изготовления, отладки всей системы. Именно поэтому традиционная цифровая система часто называется системой на "жесткой логике".

 

Рисунок 2.6 -- Электронная система

 

Любая система  на "жесткой логике" обязательно  представляет собой специализированную систему, настроенную исключительно на одну задачу или (реже) на несколько близких, заранее известных задач. Это имеет свои бесспорные преимущества.

Во-первых, специализированная система (в отличие от универсальной) никогда не имеет аппаратурной избыточности, то есть каждый ее элемент обязательно работает в полную силу (конечно, если эта система грамотно спроектирована).

Во-вторых, именно специализированная система может  обеспечить максимально высокое  быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. А именно логические элементы всегда обладают максимальным на данный момент быстродействием.