信號(hào)調(diào)理電路的案例
什么是信號(hào)調(diào)理器？
Signal Conditioner
什么是信號(hào)調(diào)理器？
信號(hào)調(diào)理是一個(gè)數(shù)據(jù)采集的過程，信號(hào)調(diào)理器是用來執(zhí)行這個(gè)過程的儀器。將電氣或機(jī)械信號(hào)（輸入信號(hào)）轉(zhuǎn)換為另一種（輸出信號(hào)）。其目的是將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成易于識(shí)別并兼容數(shù)據(jù)采集或機(jī)器控制的形式。
信號(hào)調(diào)理器有助于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，這對(duì)于高精度數(shù)據(jù)采集和機(jī)器控制是必不可少的。并可以執(zhí)行更多的不同功能，本文將概述新的趨勢(shì)。
信號(hào)調(diào)理器的功能
信號(hào)轉(zhuǎn)換
信號(hào)調(diào)理器的主要功能是
接收信號(hào)
并將其
轉(zhuǎn)換成更高電平的電信號(hào)
。信號(hào)轉(zhuǎn)換通常用于需要多種傳感器進(jìn)行測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用。由于使用的傳感器不同，因此需要轉(zhuǎn)換為所連接設(shè)備能使用的信號(hào)，也就是標(biāo)準(zhǔn)過程信號(hào)。
線性化
當(dāng)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與物理量沒有線性關(guān)系時(shí)，某些信號(hào)調(diào)理器可以實(shí)現(xiàn)線性化。這是一個(gè)
軟件解釋信號(hào)的過程
，例如熱偶信號(hào)。由于每個(gè)傳感器都不可能是完全線性的，所以這種方法可以用來實(shí)現(xiàn)更高精度。在傳感器標(biāo)定及校準(zhǔn)過程中，需要對(duì)線性化參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。
展開 利用熒光氧氣傳感器測(cè)量果蔬呼吸消耗的氧氣
英國(guó)SST 熒光氧氣傳感器 (O2傳感器) LOX-02-F優(yōu)勢(shì)：
集成溫度和壓力/高度補(bǔ)償
與其他氣體的交叉敏感性最小（氧氣淬滅熒光具有很高選擇性）
符合RoHS和REACH標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字輸出（標(biāo)準(zhǔn)3.3V UART），使其易于通信
允許輸出多個(gè)值;氧濃度（％），ppO2（mbar），溫度，大氣壓力測(cè)量值
不需要外部信號(hào)調(diào)理電路（可以直接通信到一個(gè)微控制器）
低電量
外形小巧
對(duì)壓力變化和脈沖的敏感度最小
由于傳感原理，傳感器壽命不受暴露于較高氧氣濃度的影響
每個(gè)傳感器在工作溫度和氧氣壓力下進(jìn)行出廠校準(zhǔn)
英國(guó)SST 熒光氧氣傳感器 (O2傳感器) LOX-02-F性能：
展開 如何監(jiān)測(cè)低氧環(huán)境對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)基內(nèi)氧濃度的影響
數(shù)字輸出（標(biāo)準(zhǔn)3.3V UART），使其易于通信允許輸出多個(gè)值;氧濃度（％），ppO2（mbar），溫度，大氣壓力測(cè)量值不需要外部信號(hào)調(diào)理電路（可以直接通信到一個(gè)微控制器）。具有低電量、外形小巧、對(duì)壓力變化和脈沖的敏感度zui小等特點(diǎn)，然而由于傳感原理，傳感器壽命不受暴露于較高氧氣濃度的影響且每個(gè)傳感器在工作溫度和氧氣壓力下進(jìn)行出廠校準(zhǔn)。因此可搭配英國(guó)SST 熒光氧氣傳感器評(píng)估板 - LOX-EVB使用。
英國(guó)SST 熒光氧氣傳感器 (O2傳感器) LOX-02-F性能：
555函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電路的工作過程
01
電路圖功能
利用555的核心電路產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。
02
電路的工作過程
首先，555芯片通過外圍電阻電容組成一個(gè)多諧振蕩器，輸出一個(gè)方波。
555多諧振蕩器輸出方波后，經(jīng)電容C1耦合到由R3，C3組成的積分網(wǎng)絡(luò)。輸出三角波。這也是一個(gè)電容充放電的過程，過程如下：當(dāng)555多諧振蕩器輸出高電平時(shí)，C3通過R3開始充電，C3的充電電壓增加。當(dāng)555多諧振蕩器輸出變成低電平時(shí)，C3通過R3放電，C3上的電壓降低。這樣在C3兩端產(chǎn)生的波形呈三角形狀。
三角波再經(jīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換成正弦波，其原理為：根據(jù)傅立葉變換，將三角波展開為傅立葉級(jí)數(shù)可知，它含有基波和3次、5次等奇次諧波，因此通過低通濾波器取出基波，濾除高次諧波，即可將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。這種方法適用于固定頻率或頻率變化范圍很小的場(chǎng)合。電路框圖如下方左圖所示。輸入電壓和輸出電壓的波形如下方右圖所示，uO的頻率等于uI基波的頻率。
03
注意
本例電路中低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于三角波的基波頻率，而且小于三角波三次諧波的頻率。
展開 
集成了光電二極管、模擬電路和數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)字式環(huán)境光傳感器
數(shù)字式環(huán)境光傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)，通過感光元件將光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。
數(shù)字式環(huán)境光傳感器主要采用光電二極管或半導(dǎo)體材料作為感光元件。當(dāng)光線照射到這些材料表面時(shí)，光子激發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生與光線強(qiáng)度成正比的光電流。例如，光電二極管的電流大小直接反映入射光線強(qiáng)度。
信號(hào)處理流程：
光敏轉(zhuǎn)換?：光線強(qiáng)度變化引發(fā)感光元件（如光電二極管）的電流變化，該電流與光線強(qiáng)度呈線性關(guān)系。
信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換?：通過電路將微弱電流信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)或模擬電壓，便于微控制器讀取。
自動(dòng)調(diào)節(jié)?：數(shù)字信號(hào)被用于控制設(shè)備（如手機(jī)屏幕）的亮度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能。
由工采網(wǎng)代理的WH11867UF是一種光數(shù)轉(zhuǎn)換器，它結(jié)合了光電二極管、電流放大器、模擬電路和數(shù)字信號(hào)處理器。電源需要確保VDD旋轉(zhuǎn)率至少為0.5V/ms。WH11867UF具有電源開啟復(fù)位功能。當(dāng)VDD在室溫下低于1.4V時(shí)，集成電路將自動(dòng)重置。然后以需求轉(zhuǎn)換速率返回電源，并將寄存器寫入所需的值。
環(huán)境光傳感器（ALS）內(nèi)置了一個(gè)抑制紅外光譜的濾光片，并提供了一個(gè)接近人眼反應(yīng)的光譜。肌萎縮性側(cè)索硬化癥可以從黑暗到陽(yáng)光直射，可選擇的檢測(cè)范圍約為40 dB。雙通道輸出（人眼），因此在不同的光條件下具有良好的光比。ALS在不同光照條件下具有良好的光比。
在時(shí)鐘（SCL）陷入LOW的情況下，如果您的I2C設(shè)備有HW重置輸入，優(yōu)先程序使用HW重置信號(hào)重置總線。如果I2C設(shè)備沒有硬件復(fù)位輸入，則循環(huán)供電至設(shè)備，以激活強(qiáng)制性的內(nèi)部通電復(fù)位（POR）電路。如果數(shù)據(jù)線（SDA）卡低，主線應(yīng)發(fā)送9個(gè)時(shí)鐘脈沖。保持總線低的設(shè)備應(yīng)該在這9個(gè)時(shí)鐘內(nèi)的某個(gè)時(shí)候釋放它。
展開 資料包精選：PCB仿真設(shè)計(jì)、HyperLynx、Xpedition、電路設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性...你要的都有！
隨著PCB高速信號(hào)設(shè)計(jì)越發(fā)普遍，電子電路的設(shè)計(jì)越發(fā)面臨信號(hào)完整性、電源完整性、熱、電磁兼容等問題挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)中引入仿真驗(yàn)證手段，將大大提升產(chǎn)品開發(fā)效率，設(shè)計(jì)正確性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最快的推向市場(chǎng)。
其中PCB仿真設(shè)計(jì)、Mentor、HyperLynx、Altium Designer、SI/PI、Xpedition、PDN噪聲分析因?yàn)榇砹宋磥戆l(fā)展趨勢(shì)，所以廣受電子工程師歡迎。
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同時(shí)，歡迎報(bào)名《PDN噪聲分析和優(yōu)化》直播，主要講述了嘗試對(duì) Die 到穩(wěn)壓模塊的完整PDN 進(jìn)行建模，并對(duì)芯片電源域進(jìn)行瞬態(tài)紋波仿真、討論時(shí)域和頻域仿真對(duì)于PDN噪聲分析的適用范圍，并闡述PDN 設(shè)計(jì)與優(yōu)化的實(shí)用方法。
展開 集光電二極管、電流放大器、模擬電路和數(shù)字信號(hào)處理器于一體的顏色傳感器-WH3620
其核心工作原理基于光的吸收、反射與透射特性，結(jié)合光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，將顏色信息轉(zhuǎn)化為可處理的電信號(hào)。顏色傳感器能夠檢測(cè)紅色、藍(lán)色、綠色各自的受光量，能夠判別目標(biāo)物的顏色。發(fā)射寬頻譜波長(zhǎng)的光后由接收器接受并區(qū)分目標(biāo)物反射光中的3 種顏色類型。檢測(cè)各種類型的紅色、藍(lán)色、綠色各自的受光量，算出受光比例。
顏色傳感器是一種能夠檢測(cè)并識(shí)別物體顏色的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子、印刷、紡織、醫(yī)療及農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。
由工采網(wǎng)代理的WH3620是一款集成了光電二極管、電流放大器、模擬電路與數(shù)字信號(hào)處理器的光頻轉(zhuǎn)換器，它能夠同時(shí)輸出紅、綠、藍(lán)、白及紅外光（RGBW-IR）五個(gè)通道的數(shù)據(jù)，具備高精度、低功耗、高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，適用于多種光照環(huán)境下的色溫與照度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光的全面感知；使設(shè)備不再只是“感知光線強(qiáng)弱”，而是能夠“識(shí)別光源類型”、“判斷色溫變化”、“還原真實(shí)色彩”。
WH3620數(shù)字RGBW-IR顏色傳感器，支持紅、綠、藍(lán)、白（RGBW）及紅外光（IR）的多通道并行傳感，可實(shí)時(shí)輸出各通道數(shù)據(jù)，在不同光照條件（如白光LED、CWF、TL84、D65、光源A等）提供精準(zhǔn)的LUX照度、CCT色溫及紅外環(huán)境感知能力，為智能設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)光感方案。
智能顯示應(yīng)用場(chǎng)景：自適應(yīng)、護(hù)眼與色彩保真:?
一、自適應(yīng)亮度與色溫（True Tone）?：
實(shí)時(shí)環(huán)境光分析?：通過RGBW通道精確檢測(cè)環(huán)境光的亮度與色溫，設(shè)備可依據(jù)此數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整屏幕背光強(qiáng)度和色溫，使得顯示屏內(nèi)容在不同光照環(huán)境下（如暖光室內(nèi)、冷白辦公室、戶外日光）始終保持適宜的觀看舒適度，畫面色彩保持一致性。
?藍(lán)光過濾與護(hù)眼?：在低色溫（暖色調(diào)）環(huán)境或夜間，傳感器數(shù)據(jù)可驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減少高能藍(lán)光的輸出，自動(dòng)開啟或加強(qiáng)護(hù)眼模式，有效減輕長(zhǎng)時(shí)間觀看帶來的視覺疲勞。
展開 選擇DAQ設(shè)備之前，先回答這5個(gè)問題
FlexLoggerTM是一款可快速配置傳感器和記錄混合信號(hào)數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件，用于驗(yàn)證機(jī)電系統(tǒng)，而且完全無需編程。
02
我是否需要信號(hào)調(diào)理？
典型的通用型DAQ設(shè)備可以測(cè)量或生成+/-5 V或+/-10 V的信號(hào)。但是某些傳感器所生成的信號(hào)難以測(cè)量或測(cè)量時(shí)有安全隱患，就無法使用這種類型的DAQ設(shè)備直接測(cè)量。而且大多數(shù)傳感器生成的信號(hào)都需要先進(jìn)行調(diào)理(如放大或?yàn)V波)，才能被DAQ設(shè)備有效且準(zhǔn)確地測(cè)量。
例如，熱電偶輸出的信號(hào)在mV范圍內(nèi)，這就需要先將信號(hào)放大，才能輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換。此外，熱電偶測(cè)量的信號(hào)經(jīng)過低通濾波，可以消除高頻噪聲。相對(duì)單獨(dú)的DAQ設(shè)備而言，信號(hào)調(diào)理提供了一種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢蕴岣咝阅芎蜏y(cè)量準(zhǔn)確度。
上表總結(jié)了不同類型傳感器和測(cè)量常見的信號(hào)調(diào)理。您可以選擇自己搭建外部信號(hào)調(diào)理電路，也可以使用具有內(nèi)置信號(hào)調(diào)理功能的DAQ設(shè)備。許多設(shè)備都可以直接連接到常見的傳感器，因此可方便地進(jìn)行集成。有關(guān)傳感器信號(hào)調(diào)理的詳細(xì)信息，點(diǎn)擊文章查看。
展開 身為電氣人應(yīng)該了解的電機(jī)IGBT知識(shí)！
此外，不同器件的短路耐受時(shí)間也有較大的不同，因此對(duì)于IGBT保護(hù)電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時(shí)間的額外裕量。
IGBT過流保護(hù)
無論出于財(cái)產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對(duì)過流條件的IGBT保護(hù)都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個(gè)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障。過流保護(hù)一般通過電流測(cè)量或去飽和檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。
對(duì)于電流測(cè)量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測(cè)量器件，以便應(yīng)付直通故障和電機(jī)繞組故障。控制器和/或柵極驅(qū)動(dòng)器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時(shí)關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時(shí)間。這種方法的最大好處是它要求在每個(gè)逆變器臂上各配備兩個(gè)測(cè)量器件，并配備一切相關(guān)的信號(hào)調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負(fù)直流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。
然而，在很多情況下，驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機(jī)過流保護(hù)；它們同樣可能用于IGBT過流保護(hù) —— 前提是信號(hào)調(diào)理的響應(yīng)時(shí)間足夠快，可以在要求的短路耐受時(shí)間內(nèi)保護(hù)IGBT。
▲ 圖2 IGBT過流保護(hù)技術(shù)示例
去飽和檢測(cè)利用IGBT本身作為電流測(cè)量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測(cè)電路的監(jiān)控；正常工作時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓非常低（典型值為1V至4V）。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動(dòng)IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。
上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7V至9V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)。
展開 你應(yīng)該了解的電機(jī)IGBT知識(shí)！
此外，不同器件的短路耐受時(shí)間也有較大的不同，因此對(duì)于IGBT保護(hù)電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時(shí)間的額外裕量。
IGBT過流保護(hù)
無論出于財(cái)產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對(duì)過流條件的IGBT保護(hù)都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個(gè)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障。過流保護(hù)一般通過電流測(cè)量或去飽和檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。
對(duì)于電流測(cè)量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測(cè)量器件，以便應(yīng)付直通故障和電機(jī)繞組故障。控制器和/或柵極驅(qū)動(dòng)器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時(shí)關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時(shí)間。這種方法的最大好處是它要求在每個(gè)逆變器臂上各配備兩個(gè)測(cè)量器件，并配備一切相關(guān)的信號(hào)調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負(fù)直流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多情況下，驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機(jī)過流保護(hù)；它們同樣可能用于IGBT過流保護(hù)——前提是信號(hào)調(diào)理的響應(yīng)時(shí)間足夠快，可以在要求的短路耐受時(shí)間內(nèi)保護(hù)IGBT。
圖2 IGBT過流保護(hù)技術(shù)示例
去飽和檢測(cè)利用IGBT本身作為電流測(cè)量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測(cè)電路的監(jiān)控；正常工作時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動(dòng)IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。
上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。
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