專利名稱：符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換方法及實施裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及人眼感光特性、光電傳感器、模數轉換、液晶顯示屏亮度控制，具體講，
本發(fā)明涉及符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換方法
背景技術：
用于液晶顯示屏亮度控制的半導體光電傳感器是將光強信息轉換為模擬或數字信號輸出的半導體裝置，主要用于液晶顯示屏亮度自動控制上。在手機、PMP/MP4、筆記本電腦、電子辭典、數碼相機、全球定位系統(tǒng)(GPS)、液晶電視等液晶顯示屏應用場合中，環(huán)境光強會有非常大的變化。夜間最低光強可以達到O. llux，而白天最高光強可以達到100001ux，這需要液晶顯示屏能夠根據光電傳感器感知得到外界環(huán)境亮度來自動調節(jié)顯示屏的亮度，改善圖像質量，同時降低液晶顯示屏的耗電量且延長顯示屏的壽命。
如圖l所示，傳統(tǒng)光電傳感器由四部分組成光電二極管，積分電路、模數轉換電路和時序控制電路。時序控制電路完成對光電二極管曝光、積分電路復位等電路工作的控制。其工作過程一般為首先積分電路進入復位狀態(tài)，將積分電路輸出電壓復位到預設電平，同時使二極管工作在反偏狀態(tài)令其清空在PN結空間勢壘區(qū)存在的載流子。待其完成復位后，積分電路開始積分，在積分時間T內，積分電路對入射至PN結的光生電流進行積分，并轉化成輸出電平相對于預設電平的變化。積分過程結束后，后續(xù)的模數轉換電路將此電平變化直接轉換成數字化的輸出供外部亮度調節(jié)電路使用。整個積分過程和轉換過程一次性輸出最終的數字化亮度值，其在高光強和低光強條件下維持相同的分辨率水平。由于液晶顯示屏的應用環(huán)境光強變化范圍可達到0. l-100001ux，這要求讀出電路輸出擺幅非常大，而且精度達到滿量程的1/100000，對應模數轉換器精度在16位以上。在電源電壓低于2V的條件下，如果直接進行模數轉換，要求模數轉換器能夠分辨約為20微伏的微弱信號，這些對于模擬電路的設計都是非常困難的。另一方面，人眼對光線強度的敏感度成對數變化，隨著光線強度的增加，人眼對亮度變化的敏感度迅速降低。采用直接16位模數轉換結構顯然與人眼對光強的響應并不一致，在高光強條件下輸出高分辨率的光強信息遠遠高于人眼的分辨精度，不僅在電路設計上具有較高的難度，而且輸出了大量冗余信息。因此，環(huán)境光強檢測要求光電傳感器的模數轉換特征與人眼在亮光和暗光條件下響應特性相一致。

發(fā)明內容
為克服現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種適應于人眼在不同光強條件下分辨率特征的大動態(tài)范圍光電傳感器模數轉換方法，得到與人眼在亮光和暗光條件下類似的光電響應特性。 為達到上述目的本發(fā)明采用的技術方案是，符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換方法，包括下列步驟 首先積分電路進入復位狀態(tài)，對積分電路輸出及光電二極管負極電平復位至參考電平V^M，通過時序控制電路設定第一次積分時間為Tl，光電二極管負極輸出到積分電路
3反向輸入端進行積分，積分完成后通過n位模數轉換器對積分電路輸出電壓進行模數轉換，并將第一次輸出結果D。^存儲在外部的寄存器中； 第二次積分時模數轉換的量化范圍做出相應的調整假設第一次模數轉換器可處理的最低和最高輸入值為Vrefll和V^加，第二次模數轉換參考電壓最高值即積分電路復位值Vrefh2為 Vrefh2 = Vrefll+ [ (Vrefh「Vrefll) /2n] X [D。utl] dec X 27 [D。utl] dec = Vrefhl
第二次模數轉換參考電壓最小值VMfl2由下面的公式確定 Vrefl2 = Vrefll+[(Vrefh「Vrefll)/2n]X([D0Utl]dec-l)X27[D0Utl]dec = Vrefll+([D。utl]
dec_l) (Vrefhl_Vrefli) / [Doutl] dec ; 第二次積分時間T2可通過如下計算得出
HX27[D。丄 其中，27 [D。utl] de。為兩次積分時間的倍增系數，腳標的dec代表二進制數D。utl的十進制表示； 將第一次輸出結果D。utl作為輸入，按照前述第二次積分時模數轉換的量化范圍做出相應的調整值及第二次積分時間T2進行第二次積分，第二次模數轉轉換完成后輸出n位數字量D。ut2，并存儲于外部寄存器中，以第二次積分輸出D。ut2作為低n位輸出，以第一次積分輸出D。utl作為高n位直接組合成2n位數字量D。ut輸出，即可得到最終的數字化光電傳感器輸出。 符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換裝置，包括光電二極管、積分電路、積分時間調整電路、模數轉換參考電壓產生電路，模數轉換器、寄存器； 光電二極管負極接積分電路反向輸入端，積分電路同向輸入端為參考電壓輸入
丄山
順； 積分電路反向輸入端、積分電路輸出端并接一電容和一開關；
積分電路輸出端經模數轉換器連接到寄存器進行輸出； 模數轉換參考電壓產生電路分別連接模數轉換器、寄存器，用于根據寄存器內相應存儲值對模數轉換器參考電壓值進行調整； 積分時間調整電路分別連接開關、寄存器，用于根據寄存器內相應存儲值操控開關開合對積分電路積分時間進行調整。 本發(fā)明可帶來以下技術效果由于本發(fā)明采用n位ADC，通過先后兩次積分和兩次模數轉換，使各亮度區(qū)間的有效分辨率隨光強增強逐漸降低，在最低光強下實現近似2n位精度，在最高光強下達到n位精度，因而本發(fā)明能得到與人眼在亮光和暗光條件下類似的光電響應特性。


圖1通常情況下的光電傳感器讀出電路結構圖。 圖2兩次模數轉換傳輸特性曲線，左側是第一次n位模數轉換，右側是積分時間和參考電壓調整后第二次n位模數轉換。橫坐標是模擬輸入，縱坐標是數字輸出。
圖3采用所述模數轉換方法的最佳實施例。CN 101778191 A
說明書
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具體實施例方式
首先積分電路進入復位狀態(tài)，對積分電路輸出及光電二極管負極電平復位至參考電平VMfhl ，通過時序控制電路設定第一次積分時間為1\ ，積分完成后通過n位ADC對積分器輸出電壓進行模數轉換，并將第一次輸出結果D。utl存儲在外部的寄存器中。在完成第一次積分和模數轉換之后，將積分器復位，開始第二次積分。根據第一次模數轉換結果確定的光強范圍區(qū)間，第二次積分時間T2可通過如下計算得出
HX27[D。丄 其中，27 [D。utl] i為兩次積分時間的倍增系數，腳標的dec代表二進制數D。^的十進制表示。根據上述積分時間確定方法，當第一次積分輸出比較小時，表明光強比較弱，倍增系數較大，積分信號再乘以此系數后進行第二次模數轉換時可以獲得比較高的分辨率；當第一次積分輸出比較大時，表明光強比較強，倍增系數較小，積分信號再乘以此系數后進行第二次模數轉換時可以獲得比較低的分辨率。這種特性與前述人眼對光強的響應是一致的。 由于在第二次模數轉換之前，第二次積分時間將隨著倍增系數的不同產生差異，假設兩次積分和模數轉換期間光強信號不變，第二次模數轉換的量化范圍需要做出相應的調整假設第一次模數轉換器可處理的最低和最高輸入值為VMfll和V^M，第二次模數轉換
參考電壓最高值Vrefh2(即積分電路復位值)為 Vrefh2 = Vrefll+ [ (Vrefh「Vrefll) /2n] X [D。utl] dec X 27 [D。utl] dec = Vrefhl
第二次模數轉換參考電壓最小值VMfl2由下面的公式確定 Vrefl2 = Vrefll+[(Vrefh「Vrefll)/2n]X([D0Utl]dec-l)X27[D0Utl]dec = Vrefll+([D。utl]
dec_l) (Vrefhl_Vrefli) / [Doutl] dec 如圖3所示，由于模數轉換電路的比較器本身只有n位的量化精度，而實際的第二次模數轉換量化范圍又隨著亮度的增強不斷減小，因此相對于第一次模數轉換，第二次模數轉換的可量化區(qū)間隨亮度的增強逐漸減小，即第二次模數轉換的分辨率隨亮度的增強逐漸減小，具體的說，對于最暗的亮度區(qū)間([D。utl]dec = 1)， Vrefh2 = Vrefhl且Vrefl2 = Vrefu，第二次模數轉換的可量化區(qū)間仍為2n個，此區(qū)間的分辨率仍為n位，而對于最亮的亮度區(qū)間([D。utJ^ = 2n) ， Vrefh2和Vrefl2僅相差一個可量化區(qū)間，此時第二次模數轉換將輸出同一個數字化輸出，即此區(qū)間的分辨率為0位。 第二次模數轉轉換完成后輸出n位數字量D。^，并存儲于外部寄存器中。以此作為低n位輸出，以第一次積分輸出的D。utl作為高n位直接組合成2n位數字量D。ut輸出，即可得到最終的數字化光電傳感器輸出。 上述的實施方法以圖3的電路結構為佳。其中積分電路由運算放大器，積分反饋電容Cb，積分參考電壓VMfhl組成。其曝光和復位操作由與Cb并聯的開關S控制，其在復位后S斷開的積分時間1\內，連接于運算放大器負端的光電二極管所產生的光電流i轉化為輸出電壓V。ut的變化，最終的V。ut輸出為V。ut = Vref-iXT乂Cb。其中iXT乂Cb正比于光電流，為積分電路的輸出電平變化量。此值被與積分電路相連的n位ADC轉換為n位D。utl輸出，并存儲與2n位寄存器的高n位中。同時，D。uu輸出作為模數轉換參考電壓產生電路和積分時間調整電路的輸入，依照上述第二次積分時間計算方法和對應的參考電壓調整方法，對第二次積分的時間和ADC參考電壓進行調整。而后，積分電路以計算得出的積分時間T2開始第二次積分過程，輸出調整后的輸出電平變化量i XT2/Cb，并進入完成參考電平調整的ADC進行第二次模數轉換，轉換后不同分辨率的D。ut2輸出存儲于2n位寄存器的低n位中，最終形成2n位數字化輸出。
權利要求
一種符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換方法，其特征是，包括下列步驟首先積分電路進入復位狀態(tài)，對積分電路輸出及光電二極管負極電平復位至參考電平Vrefh1，通過時序控制電路設定第一次積分時間為T1，光電二極管負極輸出到積分電路反向輸入端進行積分，積分完成后通過n位模數轉換器ADC對積分電路輸出電壓進行模數轉換，并將第一次輸出結果Dout1存儲在外部的寄存器中；第二次積分時模數轉換的量化范圍做出相應的調整假設第一次模數轉換器可處理的最低和最高輸入值為Vrefl1和Vrefh1，第二次模數轉換參考電壓最高值即積分電路復位值Vrefh2為Vrefh2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec＝Vrefh1第二次模數轉換參考電壓最小值Vrefl2由下面的公式確定Vrefl2＝Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec＝Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec；第二次積分時間T2可通過如下計算得出T2＝T1×2n/[Dout1]dec其中，2n/[Dout1]dec為兩次積分時間的倍增系數，腳標的dec代表二進制數Dout1的十進制表示；將第一次輸出結果Dout1作為輸入，按照前述第二次積分時模數轉換的量化范圍做出相應的調整值及第二次積分時間T2進行第二次積分，第二次模數轉轉換完成后輸出n位數字量Dout2，并存儲于外部寄存器中，以第二次積分輸出Dout2作為低n位輸出，以第一次積分輸出Dout1作為高n位直接組合成2n位數字量Dout輸出，即可得到最終的數字化光電傳感器輸出。
2. —種符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換裝置，其特征是，包括光電二極管、積分電路、積分時間調整電路、模數轉換參考電壓產生電路，模數轉換器、寄存器；光電二極管負極接積分電路反向輸入端，積分電路同向輸入端為參考電壓輸入端；積分電路反向輸入端、積分電路輸出端并接一電容和一開關；積分電路輸出端經模數轉換器連接到寄存器進行輸出；模數轉換參考電壓產生電路分別連接模數轉換器、寄存器，用于根據寄存器內相應存儲值對模數轉換器參考電壓值進行調整；積分時間調整電路分別連接開關、寄存器，用于根據寄存器內相應存儲值操控開關開合對積分電路積分時間進行調整。
全文摘要
本發(fā)明涉及人眼感光特性、光電傳感器，具體講，涉及符合人眼感光特性的光電傳感器模數轉換方法及實施裝置。為提出一種適應于人眼在不同光強條件下分辨率特征的大動態(tài)范圍光電傳感器模數轉換方法，得到與人眼在亮光和暗光條件下類似的光電響應特性，本發(fā)明采用的技術方案是，包括對積分電路輸出及光電二極管負極電平復位至參考電平，通過時序控制電路設定第一次積分時間，積分完成后通過n位ADC對積分器輸出電壓進行模數轉換，在完成第一次積分和模數轉換之后，將積分器復位，開始第二次積分，以第一次積分輸出的Dout1作為高n位直接組合成2n位數字量Dout輸出得到最終輸出。本發(fā)明主要應用于液晶顯示屏亮度控制。
文檔編號H04N5/335GK101778191SQ200910244839
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權日2009年12月17日
發(fā)明者徐江濤, 李斌橋, 陳志輝 申請人:天津市晶奇微電子有限公司