自动曝光功能帮助颜色传感器实现大动态范围

图1所示的设计实例是一种能够在大动态范围内产生RGB三原色的颜色检测器，对机器视觉应用来说这是一种很有用的特性。该电路通过自动曝光控制达到这个目的。这样，在一定范围的光强内物体的RGB值就能保持不变。4gcednc

图中的三个共阴极RGB光电二极管（U1）采用反向偏置，并在µC（微控制器）将RES驱动为高时通过三个N沟道的MOSFET（M1,M2,M3）预充电到VR（典型值为0.5V）。复位之后，节点R、G和B上的电压开始增加，并线性正比于每个颜色分量的光强。这些信号通过有线或连接输出馈送给三个比较器（U2）。达到阈值VTH（典型值为2.6V）的第一个信号通过反相器U3A使SH有效，进而选通采样-保持放大器U4。4gcednc

图1：具有自动曝光控制功能的RGB传感器4gcednc

保持电压RH、GH和BH由Arduino Nano转换后作进一步处理。模数转换可以不用U4而单独由µC完成，但后续转换将在信号间引入采样误差。对较亮的信号来说这种误差比较大，因为具有较高的摆率。作为替代方案，可以使用具有至少三个ADC的µC。4gcednc

D1给比较器增加了很大的滞后，D2允许Arduino通过下拉节点T2并保持RGB信号来确定最长曝光时间。这个功能对于保证传感器的固定工作速率非常必要。图2显示了信号时序。在时间点t1，当R = VTH时，比较器U2A拉至低电平，保持三电压[RH,GH,BH]，并在处理结束时（TADC）由µC完成转换。在时间点t2——最长曝光时间结束时——由µC将SH1置低，并完成输入信号的转换。4gcednc

图2：时序图4gcednc

总之，R、G和B中的最亮信号决定了曝光时间（t1），因此任何信号上都不会发生饱和。这种信号压缩在使用8位ADC时支持约100dB的动态范围。另外，为了达到这样的性能，不必调整任何电路参数。4gcednc

图3解释了如何通过自动曝光控制功能获得高的动态范围。对于某个给定的目标和每个光照强度，总有一个曝光时间可以保证三色电压[RH,GH,BH]保持不变。4gcednc

图3：在两种不同光线强度下捕获的以相同目标为基准的两组RGB三色例子。[R1,G1,B1]是亮信号，在Ta点采样，而[R2,G2,B2]是暗信号，在Tb点采样。因为[R1,G1,B1]Ta = [R2,G2,B2]Tb，因此物体的色度与光线强度无关。4gcednc

虽然市场上有高度集成、数字接口的RGB传感器（比如安华高的APDS-9950，AMS的TMG3993），但它们都无法实现自动曝光功能，因此可能要求多次曝光和µC干预才能实现这样的功能。4gcednc

《电子技术设计》2017年6月刊版权所有，谢绝转载。4gcednc

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