高速運(yùn)放支持紅外(IR)接近檢測設(shè)計(jì)

本文介紹了一個(gè)簡單的IR收發(fā)器設(shè)計(jì)，所產(chǎn)生的IR信號(hào)調(diào)制在10kHz載頻，然后用單運(yùn)放(MAX4230)放大反射信號(hào)，該運(yùn)放同時(shí)還配置成二階帶通濾波器，解調(diào)10kHz的IR接收信號(hào)。

<-- ======================================================================= --><-- CONTENT: DB HTML --><-- ======================================================================= -->該設(shè)計(jì)思路同時(shí)發(fā)表在2009年8月6日的EDN雜志。

IR接近檢測傳感器廣泛用于檢測物體是否存在、與參照物之間的距離，或同時(shí)檢測兩者。具體應(yīng)用包括：測速、自控式水龍頭、自動(dòng)計(jì)數(shù)器或傳送帶物體檢測、打印機(jī)紙張邊緣檢測及其它應(yīng)用。新一代智能手機(jī)中同樣采用了接近檢測技術(shù)，當(dāng)手機(jī)被壓在人的下顎或耳朵下方時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉LCD觸摸屏，避免對(duì)觸摸屏的誤操作。

檢測物體時(shí)，接近檢測傳感器首先向目標(biāo)發(fā)射IR (紅外)脈沖，然后“偵聽”反射信號(hào)，探測是否存在任何反射脈沖(圖1)。IR LED發(fā)射IR信號(hào)，任何反射信號(hào)可以由IR光電檢測器捕獲。反射信號(hào)強(qiáng)度反比于目標(biāo)和IR收發(fā)器之間的距離，距離越近IR反射信號(hào)越強(qiáng)，可以校準(zhǔn)光電檢測器的輸出，由此判斷目標(biāo)的準(zhǔn)確距離(設(shè)定一個(gè)距離檢測門限可以判定目標(biāo)是否存在)。


圖1. IR接近檢測傳感器的基本原理

光電二極管探測目標(biāo)反射回來的IR信號(hào)，也可以檢測到周圍環(huán)境產(chǎn)生的IR信號(hào)。設(shè)計(jì)人員需要濾除這些IR噪聲，以避免失效檢測。通用的解決方案是將LED發(fā)射的IR信號(hào)調(diào)制到一個(gè)適當(dāng)頻率，接收器只檢測經(jīng)過調(diào)制的IR信號(hào)，確保實(shí)際檢測到的信號(hào)只來自目標(biāo)物體的反射。

圖2所示IR接近檢測傳感器具有簡單的發(fā)射和接收電路，發(fā)射電路包括一個(gè)波長為940nm的IR LED (IR11-21C)，按照10kHz的振蕩頻率閉合、斷開。通過調(diào)整LED電流控制發(fā)射功率，從而控制檢測范圍。為降低功耗，發(fā)射電路通常采用占空比較小(典型值為10%)的發(fā)射脈沖。


圖2. 簡單的IR收發(fā)器，檢測物體是否存在以及物體與收發(fā)器之間的距離。

接收機(jī)電路解調(diào)并放大光電二極管(PD15-22C)探測到的IR信號(hào)，檢測信號(hào)的峰值出現(xiàn)在940nm波長。光電二極管輸出交流耦合到運(yùn)算放大器的同相輸入端。交流耦合允許通過10kHz信號(hào)，而由耦合電容建立的300Hz截止頻率將在運(yùn)算放大器的輸入端抑制直流噪聲和IR背景噪聲。

這類電路設(shè)計(jì)中最好選擇低噪聲、帶寬、滿擺幅輸入/輸出運(yùn)算放大器(MAX4230)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和放大。另外，運(yùn)算放大器優(yōu)異的RF抑制有助于避免GSM手機(jī)中常見的217Hz蜂鳴噪聲。在IR接收器中，運(yùn)放電路配置成增益為100、中心頻率在10kHz的二階帶通濾波器，使得運(yùn)算放大器在放大輸入IR信號(hào)的同時(shí)可以利用其帶通濾波器對(duì)輸入IR信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

沒有IR信號(hào)輸入時(shí)，運(yùn)算放大器偏置在2.5V。輸入端出現(xiàn)10kHz IR信號(hào)時(shí)，輸出在2.5V上下變化，動(dòng)態(tài)范圍為5V。運(yùn)算放大器的輸出驅(qū)動(dòng)簡單的二極管檢波器，檢波電路對(duì)10kHz信號(hào)整流并提供與信號(hào)幅度成比例的直流信號(hào)。模擬輸出信號(hào)(OUT)的幅度與目標(biāo)距離IR發(fā)射器的遠(yuǎn)近成比例。可以直接利用該輸出信號(hào)進(jìn)行檢測，也可以將其送入ADC作進(jìn)一步處理。在電路的不同節(jié)點(diǎn)處測量信號(hào)波形，可以清楚地描述電路的運(yùn)行狀況，圖3給出了距離IR收發(fā)器1.2英寸和1.4英寸情況下的信號(hào)波形。注意，這些標(biāo)注了具體編號(hào)的波形分別對(duì)應(yīng)于電路的不同節(jié)點(diǎn)。


圖3. 圖中波形由圖2電路產(chǎn)生，分別代表距離IR收發(fā)器1.2英寸和1.4英寸的物體的反射信號(hào)。