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技術文章
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防止半導體元件燒壞或起火的保險絲、保險絲電阻器
保險絲、保險絲電阻器保險絲、保險絲電阻器的使用方法電流保險絲是最簡單的電路保護元件。保險絲的作用,是在電路因發生短路等故障而產生異常電流時切斷電路,防止裝置、元件燒壞或引發火災等。保險絲電阻器為電阻器賦予了熔斷特性,電流一旦超過熔斷功率就會斷線,防止半導體元件及電阻器本身燒壞、起火。TF CCP CCFTF 片式保險絲特點防止半導體元件燒壞或起火的保險絲、保險絲電阻器是小型、輕量的二次電路用片狀電流保險絲。根據獨家的結構、製作方法,熔斷特性穩定。可以把佔有面積縮小。內部電阻值低,電壓降低,可以減少電力消耗。適用於小型電子設備的電路配件過電流保護。對應回流焊、波峰焊。符合歐盟RoHS。 CCP 電路保護用元件特點電流過大時,可以迅速地,無菸無熱地切斷電路。使用了金屬電極,端子強度出色,焊錫附著性優異。外裝模製成形,尺寸精度高,安裝性能優異。端子無鉛品,符合歐盟RoHS。對應回流焊和波峰焊 CCF 片式電流保險絲(抗硫化型)特點由於使用高性能抗硫化材料,因此抗硫化性優異。依據 IEC60127-4。 (7A以下)採用陶瓷本體,機械強度優異。對應回流焊和波峰焊。符合歐盟RoHS。保險絲電阻器適用於電路需要具備一定的電阻值,且希望在發生異常時不發生冒煙、起火而熔斷的部位。其反應一般比電流保險絲慢,因此在需要快速切斷電路時不能使用。引線型電阻器的保險絲電阻器系列 RF73 RF RF26 RF25CC WF保險絲保險絲電阻器正常時的功能電流通路電阻器異常時(過載時)的功能熔斷熔斷熔斷原因過電流過功率熔斷特性速斷(精確度高)慢斷(有偏差)電流保險絲的使用範例當電路中某個部位發生電源短路等異常時,如果主電源的保險絲必定熔斷,則只需使用保險絲。但是,如果電路有多個分支,當電流容量小的末端發生異常時,在主電源部位可能檢測不到。以家用電器為例,以小功率工作的功能電路即使出現異常,主電源的保險絲也不一定會熔斷。這難免會造成局部發熱,而導致冒煙。因此,設計安全電路時,建議在每條分支電路中都插入保險絲之類的安全元件,使任何分支(電源短路和馬達鎖定等)發生異常都不會導致冒煙等情況。TF 結構圖CCP 結構圖 CCF 結構圖  保險絲電阻的使用範例在有些IC推薦電路中,Vcc供電線路插入了電阻,用來限制電流。該電阻與電容器組合,還能去除從電源輸入的雜訊,具有濾波器的作用。(解耦)當這樣的電路因IC故障等而進入短路模式後,根據供電電壓與電阻值,電阻器可能會在主保護電路起效之前燒壞。在這種情況下,為防止電阻器紅熱、起火,需要使用保險絲電阻器RF RF73。RF 塗層絕緣型保險絲電阻器特點通常作為電阻發揮功能。對異常時的過載,迅速熔斷,保護電路。阻燃性塗層(相當於UL94 V-0)。符合歐盟RoHS。 RF73 矩形片式保險絲電阻器特點使用時作為電阻發揮功能,異常時迅速熔斷防止破壞電路。和R73系列是同一形狀。是UL1412的安全標準認定品(1J未認定)。對應回流焊、波峰焊。端子無鉛品,符合歐盟RoHS。電極、電阻膜層、玻璃中 所含的鉛玻璃不適用歐盟RoHS指令 防止(電源用)射極輸出器(集電極接地)的振盪射極輸出器的作用是作為緩衝放大器來降低輸出阻抗。但需要注意的是,射極輸出器會發生振盪。倘若在設計時沒有注意到振盪,可能會引發EMI惡化等意外故障。而且,接觸示波器的探針後,振盪現象的狀態會發生改變並停止振盪,或是受溫度影響而未出現振盪,因此在研究電路的階段往往會被忽視。消除振盪最有效的措施,是在電晶體的底座中插入數十Ω~數百Ω的電阻,或是在集電極的電源與接地之間插入分解電容器。射極輸出器的負荷如果為容量性,也容易發生振盪,因此在這種情況下,要給負荷增加串聯電阻。防振盪電阻的電阻值較小,根據電晶體故障模式的不同,可能會產生大電流。對於輸出部放大器等處理大功率的電路,為了防止電阻器本身冒煙、起火,電阻器建議使用帶保險絲功能的保險絲電阻。RF RF73使用保險絲電阻器時,請充分注意突入電流的大小。 用於穩定(電源用)FET操作的電阻器MOS FET的輸入阻抗高(但在高頻下會因輸入容量而降低),作為可以高速切換的切換元件,被廣泛運用。用作切換元件時,為實現FET的穩定操作,需要在柵極插入小電阻值的電阻器。電阻值如果過小,在ON或OFF時會產生震顫,導致操作不穩定;如果過大,切換波形則會出現遲滯。因此要透過觀測波形來確定最佳值。在功率MOS FET的驅動中,柵極電阻與突波電壓、切換損耗密切相關,作用非常重要,需要加以注意。柵極電阻的電阻值低,在大功率切換電路中,根據功率MOS FET的故障模式的不同,可能會產生大電流,導致電阻器本身冒煙、起火。在這種情況下,電阻器應該選用帶保險絲功能的保險絲電阻器。RF RF73使用保險絲電阻器時,需要注意突入電流的大小。
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根據繞線結構及磁芯材質對電感進行分類
電感器的種類與特點電感器種類繁多,有的用功能來稱呼,例如「抗流線圈」、「點火線圈」等,有的像「片式電感器」一樣,用形狀來表示。一個電感器根據用途不同,會有許多個名稱,而容易造成混亂。下面就從不同的切入點來介紹電感器。根據繞線結構分類繞線電感器                                                          說起線圈,大家最熟悉的不外乎彈簧型電感器。                                                                      照片-1 彈簧型電感器 這種電感器基本上是將帶絕緣膜的銅線也就是磁線,卷成像彈簧一樣的螺旋狀,也有纏在塑膠線軸上的類型和直接纏在成型鐵氧體鐵心上的類型。(圖7)圖-8 矩形磁線的效果為了滿足小型化、薄型化的需求,此類電感器已經開發出了許多種繞線結構。其中不乏使用矩形磁線而非圓形的類型。(圖8)如此一來,就消除了繞線部分的間隙。圈數相同時,銅線的截面積增大,直流電阻則會縮小,銅損也會減少。由此可以製作出高效率的電感器。出於相同的理由,使用銅板代替磁線的類型也早已投入實際使用。疊層電感器與能量效率相比,高頻電路用電感器更重視小型化和高頻特性,如今已經出現拋棄「纏繞」的思路,而在薄片和基板上印刷導體金屬的電感器。在由鐵氧體和陶瓷材料延展成薄片狀的生片上,印刷幾分之一圈的電感器。重疊多層即為電感器。隨著生片的薄層化、微細印刷技術、使用導通孔連接層間的技術的進步,製作小型、高電感的電感器成為了可能。(圖9)圖-9 疊層電感器 薄膜電感器與透過網版印刷方式印刷繞線的疊層電感器相對應,使用噴濺度和蒸鍍技術,透過比印刷更薄的金屬皮膜,來形成線圈圖案的電感器,稱為薄膜電感器。透過運用半導體製造技術,提供小型、高精確度的電感器。(圖10)圖-10 薄膜電感器 根據貼裝形態分類有用於流體貼裝的引線型電感器和表面貼裝型(片式電感器)。 根據磁芯材質分類 矽鋼板擅長在低頻帶使用的材料,在商用頻帶(50/60Hz)大量用於電源變壓器、抗流線圈等。在鐵中添加百分之幾的矽,可以提高導磁率,還能降低老化程度。以此為材料進行冷軋,製成厚度為0.05~0.5mm左右的板狀,再衝壓成E型I型,然後將幾十張重疊在一起使用。為防止渦流造成的損耗,鐵心表面要一一絕緣。頻率越高,使用的鋼板要越薄。坡莫合金在鐵中添加鎳製成的高導磁率材料稱為坡莫合金。透過調整鎳的含量,初始導磁率和飽和磁通量密度會發生變化,因而適用於低頻訊號用變壓器、抗流線圈等。壓粉磁心由以鉬為主要成分的細顆粒粉末壓制而成,磁阻高於矽鋼板,因此可以縮小渦流造成的損耗。適用於電源線濾波器、開關電源的高頻平滑線圈等。鐵氧體磁心應用廣泛的高頻率用高導磁率材料。主要成分氧化鐵(Fe2O2)與錳、鎂、鎳、鋅等的金屬化合物混合,經高溫燒結製成。代表性鐵氧體有Mn-Zn類、Ni-Zn類等。空芯不使用磁體作為磁心材料的電感器稱為空心電感器。磁心材料中空(空氣),以及磁心材料使用氧化鋁等非磁體材料的繞線電感器、堆疊非磁性材料片材的疊層電感器、使用非磁性材料基板的薄膜電感器等,都屬於空心電感器。之所以稱為空心電感器,是因為沒有一般所說的磁體鐵心(=空)。 
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根據結構及用途對電阻進行分類
根據結構分類電阻器的分類電阻器可以根據功能、形狀、電阻體材質和用途的組合,劃分成許多種類型。根據功能分類,有嵌入電路中使用的固定電阻器、用於微調電路的半固定電阻器、像收音機音量旋鈕一樣改變電阻值的可變電阻器等。根據固定電阻器的形狀分類,有帶引線的引線型和不帶引線的表面貼裝型。表面貼裝型又可分為矩形和圓筒形。除此之外,根據密封材質分類,還有樹脂模壓型、陶瓷外殼型等。   根據電阻體材質分類,有碳膜、以鎳鉻合金為主體的金屬皮膜、氧化金屬皮膜、氧化金屬與玻璃相結合的金屬釉等皮膜型,以及使用金屬板、金屬線、金屬箔的類型和使用氧化金屬陶瓷的固體型等。         根據其用途,則有電阻值允許偏差和溫度特性精確度高的類型、耐高電壓和突波性強的類型、電阻值隨溫度變化的類型、帶保險絲功能的類型等。使用電阻器時,必須根據目的,在這些組合中進行選擇。 固定電阻器的特點片式固定電阻器端子實施了焊接、鍵合或兩者兼顧所需的處理,沒有端子線(引線)的電阻器。根據形狀可分為矩形和圓筒形。根據電阻體的不同材料分類,大致有以下5種。矩形——①金屬釉膜型、②金屬皮膜型、③金屬板型圓筒形——③碳膜型、④金屬皮膜型其中,金屬釉膜型憑藉成本、小型化、貼裝作業效率的優勢,佔據了大半市場,根據統計,金屬釉膜型佔了片式固定電阻器的9成以上。其小型化趨勢明顯,矩形類型中,1005規格(1.0mm×0.5mm)和0603規格(0.6mm×0.3mm)的應用正在增加,在以手機、智慧型手機為中心的移動通訊領域,0402規格(0.4mm×0.2mm)的採用也有所擴大。矩形片式固定電阻器大致可分為厚膜型的金屬釉膜和薄膜型的金屬皮膜,量產中心為厚膜型。厚膜型的安裝性、耐環境性優異,薄膜型則具有電阻值允許偏差小、電阻溫度係數小、電流噪音小等優點。尤其是電阻溫度係數,與厚膜型約為100×10-6/K相比,薄膜型僅為10×10-6/K左右,電阻值非常小,而且穩定。矩形片式電阻器有0402、0603、1005、1608、2012、3216等規格,尤其是0603規格,以移動通訊裝置為中心,正在快速增長。1005、1608規格主要應用於消費裝置,1608、2012規格則受到消費裝置、工業設備、車載裝置等廣泛運用。功率型有3216、3225、5025、6331等規格。圓筒形片式固定電阻器通稱為MELF的片式電阻器,去掉一般的軸向引線電阻器的引線,兩端的電極安裝了電鍍金屬的電極帽。該產品的特點包括:外觀呈圓筒形而且使用金屬帽,因此不分正反;電極強度、機械強度優異;結構尺寸精確度高;產品供應、安裝精確度高等。而且,金屬皮膜型還具有電阻值精確度、溫度係數、電流噪音可以達到高品質的特點。網絡電阻器在一張絕緣基板上集成、整合多個電阻元件,將其作為一個電子元件的電阻電路網路,各個元件根據需要相互連接。由具備2個電極的電阻簡單連接而成的稱為陣列,形成電路網路的稱為網路。主要用於數位電路的上拉、下拉電阻。根據形狀可以分為SIP(Single Inline Package)形、DIP(Dual Inline Package)形、扁平封裝形、貼片載體形。過去,在以碳膜電阻器為主的時期,為因應高密度貼裝,SIP型產量快速增加,但隨著貼裝技術轉換為表面貼裝,片式網路電阻器逐漸興起,與SOP(Small Outline Package)形一同成為了當今的主流。片式網路電阻器滿足了高密度貼裝單個片式電阻器的需求,在網路電阻器中產量增長最快。需求以二聯、四聯為中心,3216規格主要應用於工業設備領域,1608規格應用於各類電子裝置,1005、0603規格則應用於手機、電腦、數位相機、數位攝影機等。碳膜固定電阻器使用碳膜作為電阻元件的固定電阻器,是最普遍的電阻器,很早便為人們所熟知。根據功率分類,以1/4W產品和1/2W產品居多,1/4W的3.2mm×φ1.9mm規格、1/2W的6.3mm×φ2.85mm規格等小型產品目前為主流,具備優異的耐脈衝性等。作為通用產品,應用範圍廣泛。金屬膜固定電阻器使用金屬皮膜作為電阻元件的固定電阻器,電阻值允許偏差、電阻溫度係數和老化程度小,精確度高而且穩定性優異。還具有電流噪音小的特點。主要用途除了通訊、測量裝置等工業設備外,還包括電腦及其周邊裝置、AV裝置機器等處理微弱訊號的電路等。氧化金屬膜固定電阻器使用氧化金屬皮膜作為電阻元件的固定電阻器,小型(單位額定功率的體積在電阻器中最小)且耐熱性優異。具有能夠以低成本製造出電阻溫度係數小於功率型金屬皮膜電阻器的產品等特點。是主要應用於電源電路等用途的通用功率型電阻器。繞線固定電阻器使用金屬電阻線作為電阻元件的固定電阻器,耐脈衝性、耐熱性尤其出色。而且具有電阻溫度係數小、電流噪音小等特點。但也存在不易取得高電阻值、繞線結構不適合高頻電路等缺點。主要用作電源電路的突入電流限制電阻器。另外,低電阻值產品也用於電流檢測等用途。
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電阻器的材料成份與作用
電阻器的基礎何謂電阻器要解答何謂電阻器這個問題,首先要了解「歐姆定律」,這是很重要的。這是了解電阻器的基礎。歐姆定律是指「通過導體的電流與導體兩端的電壓成正比」。假設電壓為E(V:伏特)、電流為I(A:安培),則以下關係成立。                R為比例係數,稱為電阻,電阻的物理量符號為R,電阻值的單位符號為Ω(歐姆;ohm),標記符號如下圖所示。〔電阻器的電路符號〕電阻越大,電流越難通過,電阻越小,電流越容易通過。換言之,電阻器是使通過電路的電流保持固定,並根據需要進行調整的元件。電阻器還可以用於降低電壓、分割電壓。因此,電阻器與電容器、電感器(線圈)一樣,都是主要被動元件,是電子電路必不可少的基本元件之一。電阻器的材料成分與作用電阻器基本是由以下4個要素構成。基體:支撐電阻體與端子的部份電阻器的基體最常使用氧化鋁絕緣體。需要根據電阻器的用途,選擇適合的材料(熱傳導率、熱膨脹係數、機械強度等)。電阻體:決定電阻器的基本特性、性能的部份電阻假設有右圖中的物質。截面積[cm2]:S長度[cm]:L物質的固有電阻[Ω・cm]:ρ則該物質的電阻R為R=ρ・L/S [Ω] 端子:使電阻體與基板(電路圖案)等建立電氣、機械連接的部份是施加電壓或電流的部分,電阻器的端子結構和形狀必須根據貼裝方法選擇。為了提高貼裝密度、降低貼裝成本,表面貼裝元件(SMD)如今已成為主流。外包裝:保護電阻體和基體不受外部空氣和機械應力的影響電阻器結構圖例矩形片式電阻器    引線插入型電阻器(皮膜型) 
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金屬氧化物壓敏電阻器的選擇——KOA
金屬氧化物壓敏電阻器的選擇選擇壓敏電阻器的步驟選擇金屬氧化物壓敏電阻器的基本步驟如Fig.1所示。下面根據基本步驟,通過具體事例來追蹤選擇的流程。Fig.1 選擇壓敏電阻器的基本步驟 事例)電源線的線間雷擊浪湧吸收措施Fig.2  電路事例電源電壓 VE=200(Vr.m.s.)±10%浪湧電壓 Vs=5(kV)等效浪湧阻抗 ZS=100(Ω)浪湧脈衝寬度 tT=50(μs)負荷耐電壓VP=800(V)浪湧次數 N=104次①確定壓敏電阻器電壓首先根據電路電壓,選擇適當的壓敏電阻器電壓。1)根據電路電壓VE(V),用①式確定要選擇的壓敏電阻器電壓的最小值。VE≦VV(min.)(1-α) …①VE:電路電壓的峰值VV(min.):壓敏電阻器最小電壓值α:安全係數(α=0.1)在範例中,電源電壓為200Vr.m.s.±10%,用①式確定壓敏電阻器電壓VV(min.)≧(200√2 ×1.1)/(1-0.1)≧346(V)在範例中,需要選擇產品目錄中記錄的壓敏電阻器電壓範圍的標準範圍下限值在346V以上的壓敏電阻器。此外,壓敏電阻器還有一個標準,那就是可以持續施加的電壓的上限值,即最大允許電路電壓。如果持續施加超過該電壓的電壓,壓敏電阻器有可能出現劣質化,這一點也需要予以考慮。2)根據電路電壓VE(V),用②式求出需要的最大允許電路電壓。VE≦VA(1-α) …②VE:電路電壓VA:最大允許電路電壓α:設計餘量(α=0.2)在範例中,電源電壓為200Vr.m.s.±10%,用①式確定壓敏電阻器電壓VV(min.)≧(200×1.1)/(1-0.2)≧275(V) 需要根據以下兩個條件,來選擇壓敏電阻器的公稱壓敏電阻器電壓:壓敏電阻器電壓範圍的標準範圍下限值在346V以上,最大允許電路電壓在275V以上。對照產品目錄,應當選擇壓敏電阻器電壓在NVDxxUCD390以上的產品。但單憑這一點是不夠的。還需要研究受到突波電壓衝擊時,壓敏電阻器的電壓抑制範圍是否適當。若不適當,在受到突波電壓衝擊的關鍵時刻,有可能得不到適當的電壓抑制效果。②計算通過壓敏電阻器的浪湧電流假設應當保護的電路為Fig.3,通過金屬氧化物壓敏電阻器的突波電流Ip可透過③式求出。Fig. 3  突波等效電路Ip=(Vs-Vc)/ Zs …③Ip :浪湧電流Vs :浪湧電壓Vc :壓敏電阻器抑制電壓Zs :等效浪湧阻抗 Vc大多數情況下小於Vs,因此也可以忽略Vc進行簡單計算。在事例中,VS=5(kV)、ZS=100(Ω)、VP=800(V),根據③式Ip=5000/100=50(A) ※脈衝寬度tT=50(μs)由此可知,受到浪湧電壓衝擊時,通過壓敏電阻器的電流值為50(A)。③確定抑制電壓(限制電壓)限制電壓根據產品目錄的電壓-電流特性曲綫進行選擇,相對於保護對象的耐電壓VP,通過③式求出的電流IP所對應的金屬氧化物壓敏電阻器的限制電壓應在VP以下(參照Fig.5)。Fig.3 電壓-電流特性曲綫與IP、VP的關係在範例的電路中,以壓敏電阻器公稱電壓在390(V)以上、最大允許電路電壓在275(Vr.m.s.)以上為條件,根據產品目錄的電壓-電流特性曲線,暫定選擇Ip=50(A)所對應的限制電壓在800(V)以下的金屬氧化物壓敏電阻器。對照該條件得到的結果是……φ10產品:NVD10UCD430、NVD10UCD470φ14產品:NVD14UCD430、NVD14UCD470需要從以上4種產品中選擇。④確定盤徑的大小根據透過③求出的突波電流IP及突波脈衝寬度tT(s)和重複次數,使用突波耐量、突波壽命特性(參照個別標準),選擇允許值範圍內的金屬氧化物壓敏電阻器。根據③中計算出的IP=50(A)、tT=50(μs)、重複104次對照產品目錄的突波耐量、突波壽命特性進行選擇。對照產品目錄得到的結果是……NVD10UCDxxx:80(A)、NVD14UCDxxx:120(A)由結果可知,這些產品均大於50(A),③所對應的品種均可使用,但突波次數104次可能包含不確定因素。如果貼裝方面不存在問題,設計應留出足夠的充裕度,選擇NVD14UCD型的φ14產品。以上就是選擇壓敏電阻器的大致流程。希望能夠在您研究用以應對突波的壓敏電阻器時提供參考。
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CPU電源用換流器的電流檢測——KOA
CPU電源用換流器的電流檢測CPU電源的發展動向隨著CPU的高速化,低電壓、大電流化程度越來越高。桌上型電腦需要的電流達到40~60A,筆記型電腦也超過20A。 電流檢測用低電阻器的發展動向由於DC/DC換流器的切換電流增大,電流檢測用電阻器的電阻值非常小,有的甚至在2mΩ以下。選擇和使用mΩ級電阻器時,注意事項有別於普通的電阻值。電阻值如果降低…即使切換頻率為數百kHz,也很難實現「正確產生與通過電流成正比的電壓」這理所當然的操作。(1)盡量縮小電感電阻器的寄生電感通常為nH級,在數百kHz的切換中可以忽略。但由於電阻值極小,微小的電感也會造成相對較大的檢測誤差。電感造成誤差的範例範例如下圖所示。在這個例子中,電阻器的寄生電感為1nH。    裁切改變電流通路    調整電阻值需要在電阻器上裁切狹縫。這會導致電流分布不均,引起局部發熱。    局部發熱會使電流通路發生改變,而導致整個電阻器的電阻值相對於電流的線性變差。   (2)需要電阻率均勻的電阻體       導致電流通路不均勻的原因,並不只是裁切線。電阻體與電極的接合部分如果產生孔洞等,相對應位置的電流通路也會變得不均勻。如果電感的偏差大…電感的影響在一定程度上可以透過濾波器來抑制。但寄生電感如果有偏差,檢測誤差也會產生偏差。下圖是可能發生的檢測偏差的模擬範例。   (3)電極內的電位必須固定不變    超低電阻器中,電極部分的電阻率只有電阻體部分電阻率的幾十倍。如果電極部分薄,電阻體的電位分布就會影響電極,導     致電極內出現電位差。    這意味著取電極中不同位置的電壓,電阻值會發生變化。電流檢測用低電阻器需要具備的性能綜合以上所述,選擇大電流高速切換電路的電流檢測用電阻器時要注意以下3點:(1) 使用電感及其偏差小的電阻器。(2) 使用電阻體、電極盡可能均勻的電阻器。(3) 使用電極內電位差小的電阻器。使電阻器內的電流通路變得均勻上述條件大多數可以透過徹底清除電阻器內電流通路的不均勻部分來實現。基於這個理念,本公司開發了:TLR 金屬板片式低電阻器特點是超低電阻(0.5mΩ~)器,適用於對大電流的檢測。厚度0.6mm超低背型,適於對小型設備的使用。高頻率特性優異。可自動貼裝。對應迴流焊接。符合歐盟RoHS。 AEC-Q200相關數據已取得 TLR的結構具體結構如圖所示。TLR透過採用這種結構,獲得了適合對CPU電源用DC/DC換流器進行電流檢測的性能。其他觀點使用CPU電源用DC/DC換流器的電流檢測用電阻器還需要考慮以下事項:(1)透過多相化、共通輸出節點使用時的相間檢測偏差(2)電流焊板、電壓Pattern的設計考量(3)確保散熱路徑(4)有必要考量使檢測誤差最小化的濾波器插入方式等。
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如何正確的選擇電流檢測電阻
提供種類豐富的高精度、低感值、大電流對應、電流檢測用分流電阻器系列電流檢測用分流電阻器、低阻值電阻器的種類【電流檢測用分流電阻器及低阻值電阻器的額定功率、電阻值分佈】--------------------------------------------------------------------------------------------------電流檢測用分流電阻器、低阻值電阻器的產品特點適用於244A一下的電機控制、DC/DC換流器和蓄電池管理的大電流檢測PSJ2/PSL2/PSG4/PSF4* 開發中。實現了最大額定功率12W。推出了2端子結構和4端子結構。PSG4、PSF4通過採用4端子結構,可達到T.C.R.+/- 50×10-6/K的高精度----------------------------------------------------------------------------------------------------適用於超大電流600A以下的電機控制、DC/DC換流器和蓄電池管理的電流檢測HS系列* 開發中。備有電壓檢測端子,因此超低電阻0.1mΩ也能高精度檢測。通過調整安裝方法等,可以支持定制形狀。----------------------------------------------------------------------------------------------------高頻率特性優異……TLR 系列電阻器製造工序中要進行在電阻體局部設置切口來調整電阻值的 “裁切”作業。“裁切”對於通常的電路不構成問題,但大電流高速變化的電路造成許多故障。TLR系列採用獨特方法,無需“裁切”即可調整電阻值。[TLR發熱分佈]1.電阻器沒有切口,發熱分佈均勻,可以實現高效散熱[檢測波形]2.糾正電阻器本身的電感引發的測量誤差--------------------------------------------------------------------------------------------------檢測大電流時PS  系列通過採用與TLR相同的結構,具有良好的高頻特性。針對不利於大型規格的熱循環性,以獨有的形狀緩和了應力的PSB。以小型規格實現了5W高功率的PSE。可實現KOA的最小電阻值0.2mΩ到最大電流250A的檢測----------------------------------------------------------------------------------------------------在高溫環境下也可使用的高可靠性電阻器使用阻燃性樹脂密封了整個電阻值,耐溫度變化性強、耐久性優異的電阻器。端子使用金屬板,還具備優良的端子強度和焊接性。使用溫度範圍大,達到-55°C~+180°C,適用於在車載環境下工作的電子設備等。----------------------------------------------------------------------------------------------------豐富的尺寸、功率種類。可像通過扁平貼片一樣選擇……SR73系列SR73 1H是尺寸為0.6mm×0.3mm的小型片式電阻器。可安裝於手機、PDC和HDD等高密度貼裝設備。是適用於2次電池餘量檢測、過電流保護電路等所有用途的片式低阻值電阻器。--------------------------------------------------------------------------------------------------以100mΩ以下的低電阻值達到高精度……UR73  系列實現了電阻值:10mΩ~100mΩ、TCR:±100×10-6K。公差以±1%為標準的高精度電阻器。能夠在蓄電池充電電路等需要低電阻(10mΩ~)且高功率(~1W)的電路中發揮威力。----------------------------------------------------------------------------------------------------以長邊型實現高功率WK73  系列通過採用長邊電極,以小型尺寸實現了高功率。與相同尺寸的SR73相比,額定功率最大為前者的2倍。而且熱循環性優異,適用於車載用途等要求可靠性的設備。----------------------------------------------------------------------------------------------------以長邊型實現高功率WU73  系列實現了電阻值為13mΩ以上、TCR為±75×10-6/K。通過採用長邊電極,以小型尺寸實現了高功率。而且熱循環性優異,適用於車載用途等要求可靠性的設備。
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熱循環耐性—KOA
熱循環耐性矩形片式電阻器在應用於車載等對於熱循環耐性要求較高的用途時,有時會出現焊接裂紋的問題,尤其是尺寸較大的片式電阻器。焊接裂紋是因為電路基板與片式電阻器的線膨脹係數不同,在施加溫度循環后,焊接部份承受應力,焊接產生裂縫的現象。最終會導致焊接連接不良。需要較大額定功率時,一般會使用大尺寸的片式電阻器,但尺寸越大,越容易發生焊接裂紋。要想兼顧大功率和預防焊接裂紋,可以使用多個尺寸更小、額定功率更小的電阻器,來達到需要的額定功率,但這種方法會導致元件數量和貼片面積增加。在這種情況下,建議使用額定功率大、而且有利於熱循環的長邊電極型電阻器WK73S以及模壓密封性電阻器TSL、SL、SLN。長邊電極型的橫豎方向與一般產品相反,電極間距短,因此與相同尺寸的一般產品相比,具有熱循環耐性強的特點。而且,因為電極面積大,所以散熱性好,額定功率有所增加。                一般產品                              長邊電極型                 模壓密封型的電極結構如下圖所示,具有減輕熱循環中焊接部份所受應力的效果。
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高電壓用電阻器
高電壓用電阻器電阻器在電路中的用途之一,是通過分壓來檢測高電壓。電阻器有確定的額定電壓和最高使用電壓,使用時需要控制在其範圍內。因此在分壓電阻的高壓側,必須串聯使用多個電阻器,從而導致元件數量增多,貼裝面積也隨之增大。在這種情況下,通過使用電壓較高的電阻器HV73、RCR,可以減少電阻器的元件數量。特別是HV73,與通用的片式電阻器相比,其電壓係數也比較優異,能高精度完成較高電壓的分壓。一般來說,電阻器體現出的電阻值相對於電壓並不固定。高電壓時的電阻值稍低。電壓係數是表示高電壓電阻值相對於低電壓電阻值的下降率的指標。是取額定電壓或元件最高電壓(最高使用電壓)中較小的電壓,測量其10%及100%時的電阻值,以電壓的百分率(%/V)或百萬分率(ppm/V)來表示。
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耐脈衝、耐突波電阻器
耐脈衝、耐突波電阻器在瞬間通過較大電流的電路中使用的電流限制用電阻器、在容易被施加靜電(ESD)的電路中使用的電阻器,需要使用耐脈衝和突波性強的電阻器。這裡所說的脈衝,是指功率大、持續時間也比較長(能量大)的過載,而突波是指以ESD為代表的電壓高、持續時間較短的過載。耐脈衝性強的電阻器,是即使瞬間施加較大的功率,電阻體也不易損壞的電阻器。在表面貼裝電阻器中,與金屬皮膜片式電阻器相比,電阻體膜較厚的厚膜片式電阻器(金屬釉膜)通常耐脈衝性更強。在厚膜片式電阻器中,還有透過改進結構、提高了耐脈衝和突波性的SG73、SG73P。而且,電流檢測用金屬板片式電阻器的電阻體是由金屬板製成,耐脈衝和突波性非常強。另一方面,在引線型電阻器中,與絕緣體表面形成了電阻體膜的皮膜型金屬皮膜電阻器、碳膜電阻器相比,絕緣體外纏金屬電阻線的繞線電阻器(CW、CW-H、RW、BGR、BWR)的耐脈衝性更強。而且,使用陶瓷電阻體的固體型陶瓷電阻器,耐脈衝性非常強。而耐突波性強的電阻器,則對ESD等瞬間高電壓具有良好的耐受性。其中包括可以保證ESD耐受性的SG73S。各種電阻器耐脈衝性的差異(示意圖)
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抗硫化片式電阻器
抗硫化片式電阻器硫化是在內部電極※使用銀的矩形片式電阻器(一般為厚膜片式電阻器)中發生的現象。在含硫環境中使用電阻器時,從保護膜與外部電極的縫隙之間進入的硫與電阻器內部電極的銀發生反應,生成硫化銀(絕緣物),導致電阻器斷線的現象稱為矩形片式電阻器的硫化斷線。硫化機制            除了溫泉和火山附近產生的硫化氣體含硫外,燃燒重油等也會產生硫。而且,車床的機油、電纜和輪胎等橡膠製品有些也添加了硫。因此,在這種環境中或產品附近使用的電子裝置,可能會發生矩形片式電阻器硫化斷線,近年來開發出了內部電極使用抗硫化材料的抗硫化型、使硫不易進入內部的硫化延遲型矩形片式電阻器。KOA推出了內部電極採用抗硫化特殊材料的抗硫化片式電阻器。※「內部電極」是指電阻器中不暴露於外部的電極,其作用是建立「電阻體主體」與「外部電極」(用於對基板Pattern進行焊接的電極)的電連接。抗硫化片式電阻器厚膜片式電阻器 RK73B-RT(通用)/RK73H-RT(精密級)/RK73Z-RT(跳線), RK73G-RT(超精密級) 耐突波、耐脈衝片式電阻器 SG73-RT, SG73S-RT(耐突波)/SG73P-RT(耐脈衝)長邊電極片式電阻器 WK73-RT低電阻片式電阻器 SR73-RT高壓用片式電阻器 HV73-RT高壓用片式電阻器 HV73V-RT(汽車用)片式網路電阻器 CN-RT(凹型) /CN-KRT(凸型)[採用範例]工廠、工業設備汽車機床通信基站污水、廢棄物處理設施伺服器、網絡公共基礎設施
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高耐熱、高耐濕薄膜電阻器
高耐熱、高耐濕薄膜電阻器薄膜電阻器具有高精確度、低電流噪音等優點,但在高溫、高濕的環境中使用則存在問題。RN73H在傳統的薄膜電阻器RN73的基礎上提高了耐熱性、耐濕性,在車載等惡劣環境下也可使用。高耐熱性透過為電阻體選用耐熱性優異的材料,除部分尺寸外,其額定功率均高於RN73。而且,透過擴大負荷減輕特性曲線的額定環境溫度和最高使用溫度(使用溫度範圍的上限),高溫時的實際可用功率明顯得到改善,超越了傳統產品。環境溫度100°C時的實際可用功率計算範例RN73 1J 額定功率0.063W×0.455(45.5%)=0.029WRN73H 1J 額定功率0.1W×0.786(78.6%)=0.079W(RN73的2.72倍)高耐濕性在高濕度環境下使用薄膜電阻器可能發生電蝕,RN73H透過在內部使用特殊保護膜,與傳統產品相比,提高了耐濕性,不易發生電蝕斷線。在耐濕負荷壽命試驗中一般來說比較嚴格的車載試驗條件下,也表現出優於傳統產品的特性。耐濕負荷壽命試驗的比較試驗方法保證值RN7340°C±2°C、90%~95%RH、1000時間(1.5時間ON/0.5時間OFFの期)±0.5%+0.05ΩRN73H85°C±2°C、85%±5%RH、1000時間(1.5時間ON/0.5時間OFFの期)±0.1%+0.05Ω
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藍光編碼器走向反射式——iC-PR,iC-PX
藍光編碼器走向反射式簡介隨著在一些應用中不斷增加採用自動化機器,定位設備正成為許多系統的重要組成部分。為了精確控制電機,編碼器正成為最受歡迎的解決方案。編碼器可以基於不同的原理操作,例如:光電、磁性、機械等,提供增量或絕對位置資料。編碼器還可以在需要時攜帶多圈資訊,所有這些可能性都促成了一個靈活的產品,提供不同尺寸,適用於各種環境。由於編碼器的這種高度靈活的性質,以及自動化機器的擴展使用,越來越多的應用開始利用位置編碼器。 為了更好適應不同的應用和它們的特定要求,新的編碼器技術需要不斷地開發和實施。具有藍光的反射式光電編碼器是這種新技術的一個示例,運用該技術 iC-Haus 的 iC-PR 和 iC-PX 系列積體電路已經發佈。本文詳細介紹了這種新技術的特點和優勢。  目錄一、光電編碼器的基本原理和新的挑戰二、透射式和反射式光電編碼器之間的比較三、反射式解決方案四、iC-PR 的特性和組裝公差五、iC-PX 的特性和組裝公差六、優勢七、應用八、總結九、文獻 一、光電編碼器的基本原理和新的挑戰從工業生產線到家用電器,自動化正在參與大多數新產品的設計。在這種情況下,線性和旋轉編碼器是電機精確定位的最終解決方案,替代老舊器件,如電位器、同步器、旋轉變壓器等。 編碼器可以根據不同的原理來操作,例如:光電、磁性、機械和其他。根據感測器類型,編碼器提供增量或絕對位置資料。第一個僅輸出關於增量變化的資訊,通常以 AB 正交脈衝的形式。利用計數處理器對其前向或後向步幅計數。增量式編碼器通常使用一個零位元信號來參考啟動或重定計數值。另一方面,絕對式編碼器傳送完整的位置值,該位置值可以隨時確定 (絕對位置是已知的,而不需要通過零位元標記)。絕對編碼器還可以在需要時攜帶多圈資訊,從而通知編碼器的完整旋轉次數。 所有這些不同的操作模式促成了多樣化的產品,提供不同的尺寸和適合各種環境。由於編碼器的這種高度靈活的性質,以及自動化機器的擴展使用,越來越多的應用開始利用位置編碼器的功能,用於運動控制。 當比較編碼器背後的不同原理時,光電編碼器被認為是最精確的。每一種方法都有其自身的優點,而光電編碼器通常提供最高的解析度和精度。然而,光電編碼器也有它的缺點。由於其光學性質,感測器元件對灰塵、油和其他可能干擾光路的障礙物敏感。這通常可通過用於編碼器的緊密密封的外殼來解決。高精度光電編碼器面臨的另一困難是位置誤差的影響,這意味著組裝公差通常非常小,導致編碼器的製造過程中複雜性增加,需要高精度組裝技術來達到適當的信號。單獨這個問題就阻礙了許多公司製造編碼器,因為它們的製造過程無法達到所需的精度水準。 關於光電編碼器在一些應用所面臨的另一個困難是編碼器所需的空間。一個光電編碼器必須具有保護殼,並且傳統 (透射) 光電編碼器所需的內部結構導致相當高的高度 (Z尺寸)。這是因為光源 (LED)、碼盤和光學感測器必須垂直對準,並且它們之間具有適當的距離。編碼器的這種最低高度限制妨礙了其被諸如小型化機器人技術的一些緊湊應用所採用。甚至消費產品也進入了精密定位控制的領域,引入了家用吸塵機器人,飛行無人機和家庭自動化 (窗簾、通風等自動調節)。這些產品的製造在大規模地進行,為了具有高生產效率,必須接受組裝變化誤差。此外,一些設備的緊湊尺寸也導致了無法採用大尺寸編碼器,而這通常是工業機器可接受的。 滿足這些要求的第一種解決方案是使用磁編碼器。簡單的同軸磁編碼器可以很容易製造並且只需要非常小的空間,因此是一個符合邏輯的選擇。然而,隨著這些應用的解析度和精度要求也在演變,磁編碼器面臨技術限制。目前的同軸磁編碼器無法達到非常高的解析度,也不能提供相當高的精度,除非使用更先進的技術 (例如: 使用外部插補細分器來提高系統的解析度和精度),但會導致更高的成本。此外,磁編碼器需要更嚴格的遮罩抗磁干擾,這在一些工作環境中可能是非常具有挑戰性的。 市場推動的這些新需求激勵了行業尋找適應光電編碼器特性的方法,使其在這些新條件下也可實現。 二、透射式和反射式光電編碼器之間的比較傳統的光電編碼器依賴於透射光學,這是用於編碼器的一種成熟的且共所周知的技術。 然而,它也有自身固有的缺點,限制了它在某些情況下的應用。另一方面,反射式光學是光電編碼器的另一可選技術,它試圖改進透射編碼器不足的方面。 雖然透射式和反射式編碼器具有相同的基本原理,光學感測器接收由碼盤移動調製的光 ,但它們的物理結構明顯不同。下圖是一個傳統的透射式光電編碼器的基本結構: 如圖1所示,透射式解決方案基本上是通過使用碼盤 (光柵) 在某些限定區域製造光路的障礙物,而使光穿過其他區域。碼盤的主要要求是精確劃分透明和非透明區域。這通常通過光刻工藝來實現,其中塗層材料 (例如鉻) 沉積在透明基板 (例如玻璃) 的頂部。光刻工藝的精度以及透明和非透明區域之間的對比度來決定碼盤的品質。 該技術的優點是光刻工藝成熟且可以達到非常高的精度,允許在碼盤上做非常精細的代碼標記。這為高解析度編碼器帶來更好的信號密度。 另一方面,這種結構也帶來了缺點: 為了獲得良好的效果,照明必須盡可能均勻。這需要一個僅通過將準直透鏡添加到系統來實現的平行光束。這種光學結構大大增加了編碼器的垂直尺寸,這對於許多應用是一個不理想的效果。 另一個缺點是對感測器定位精度的要求與碼盤上的標記的密度直接相關。如果使用非常精確的光刻,則感測器相對於碼盤的位置也必須非常精確,否則信號的品質將受到相當大的影響。這包括感測器的 XY 位移,以及感測器和碼盤之間的距離。如果碼盤上的縫隙非常窄,則在穿過縫隙之後的光衍射將對信號具有更大的影響,因此在感測器和碼盤之間需要非常緊密的氣隙以便接收良好的信號。對於高端編碼器,組裝精度要求低於 0.1 mm,這對於許多製造商來說是不可行的。即使對於能達到這種精度要求的最終產品的製造商,元件仍然需要仔細的對齊校準,通常逐個對編碼器使用光學或電子方式進行對齊和檢查,然後對產生的信號進行精細校正。這個過程是非常耗時的,限制了製造過程的效率。 上述問題可以通過使用反射式光電編碼器來解決。下圖描述了這種解決方案的結構: 對比透射式解決方案,圖2中看到的最明顯的區別是沒有與感測器相對的準直透鏡的光源。反射式編碼器通過從與感測器相同的一側 (相對於碼盤) 發射光,並選擇性地將光的一部分反射到感測器。在這種情況下,碼盤的基本特性是反射區域和非反射區域間的分割 (相比透射盤的透明/非透明特性)。和透射盤一樣,信號的品質取決於碼盤標記工藝 (光刻) 和分割區域之間的對比度 (在這種案例,反射/非反射)。 該解決方案在物理尺寸方面的明顯優勢是顯而易見的。無需準直光學器件,而且 LED 光源與感測器在同一側,總體積可以大大減小。與透射式解決方案相比,單獨這個因素已經使得編碼器能夠適應更廣泛的應用。緊湊尺寸光電編碼器是可行的,它們也有傳統光電編碼器的許多優點。 反射式編碼器解決方案可以用不同的方法實現,典型的示例是在感測器和 LED 的頂部添加塑膠透鏡,以便將光束成形為所期望的形狀。然而,使用無透鏡設計可實現更好的解決方案。完全消除外部透鏡是可以實現的,且具有更大的靈活性和穩健性:透鏡需要針對不同的應用而特別設計,這明顯限制了 LED / 感測器和碼盤之間的操作距離的範圍,同時也增加了操作條件的限制,例如允許的溫度範圍。即使沒有額外的透鏡,通過仔細控制光源光斑尺寸也可以實現非常高的解析度。通過這種方法,使用一個標準的LED照明尺寸就已經可以實現中高解析度了。 我們看到最有利的是在這種情況下: 只要解析度保持在合理的範圍內,就能獲得非常小的尺寸,無外部透鏡需求,良好的解析度和精度 (很容易通過插補細分技術進一步提高),以及非常低的組裝要求的光電編碼器。 我們可以比較透射式和反射式編碼器的主要特性:透射式光電編碼器:成熟的技術高解析度和高精度相當的高度 (Z尺寸)組裝困難: 小公差, 操作期間的機械穩定性碼盤到感測器的操作距離小  反射式光電編碼器:良好的解析度和精度易於組裝大機械公差平面設計: 高度降低碼盤到感測器的操作距離大  三、反射式解決方案 反射式光電編碼器的原理已經公佈了一段時間。然而,獲得一個有著良好性能的,方便的,且易於使用的集成晶片的難度將其局限於能實現的少數製造商的少數產品線上。 最近推出的 Encoder Blue® 產品 (帶有藍光 LED 作為光源的光電編碼器) 也被證明可用於反射式編碼器。Encoder Blue® 技術提供了許多優點,例如:更高的效率 (在相同的光功率,更低的操作電流),更高的信號清晰度和對比度,較小的輸出信號抖動. Encoder Blue® 藍光技術已經用於 iC-Haus 透射式光電編碼器 (例如 iC-PT H系列和 iC-PNH 系列),但這些特性也可以顯著改善反射式編碼器的信號。因此,iC-Haus 結合了 Encoder Blue® 技術和反射式編碼器解決方案的優點,發佈了全新的增量式光電編碼器晶片 iC-PR 系列和 iC-PX 系列。 四、iC-PR 的特性和組裝公差第一個攜帶藍光反射式編碼器技術的產品就是 iC-PR 系列。這是一個無透鏡反射光學設計的增量式編碼器。 ABZ 正交數位輸出是可行的,利用插補細分可獲得高達16倍碼盤上原始代碼物理標記的解析度。這種插補細分是通過引腳配置在晶片上實現的。在輸出端提供類比信號的可選功能。類比正弦/余弦信號可以連接到外部插補細分器,用於增強細分。 正如預期的 Encoder Blue® 解決方案,iC-PR 也集成了一個藍光 LED 用作照明源。該藍光 LED 技術具有所有前面提到的優點,並且由一個閉環控制電路驅動,該閉環控制電路根據由感測器產生的信號的幅度來自動適配 LED 電流。這樣可以確保編碼器的穩定運行,補償諸如由於溫度或老化效應引起的 LED 效率偏差的變化,或者甚至補償 iC-PR 和碼盤之間氣隙的機械變化。 iC-PR 系列由不同的型號 (iC-PRxxxx) 組成,每個都具有針對特定碼盤直徑和解析度優化的高密度相位陣光電感測器。所有可選功能都由引腳配置,因此不需要耗時的編程過程。 iC-PR 系列的主要特點如下:ABZ 正交輸出,帶零位元信號無透鏡設計針對 Ø4 mm, Ø14 mm, Ø26 mm 和 Ø43 mm 的反射式碼盤進行了優化單片設計: 集成了高密度相位陣,信號調節,類比/數位轉換和 LED 功率控制集成藍光 LED 與自動功率控制: Encoder Blue®數位 (1倍至16倍細分) 或模擬 (正弦/余弦) 操作最小信號沿距控制 (80 ns, 1 μs, 10 μs)可選的 Z 脈衝 (零位) 寬度工作溫度: - 40 °C 至 + 105 °C引腳配置optoQFN 封裝 4 x 4 x 0.9 mm低功耗: 典型值 20 mA (包括 LED) 使用反射式編碼器解決方案最重要的好處之一是寬鬆的組裝公差。對於 iC-PR 系列,典型的組裝精度要求如圖3所示。 該圖顯示,公差比透射式編碼器的標準值大幾倍。這裏的一個重要值是可接受的操作距離,範圍從 1 mm 到 3 mm,只要它保持在這個範圍內,允許變化。這種寬容差可以通過感測器的精密設計以及自動控制的 LED 功率來獲得。 五、iC-PX 的特性和組裝公差對於不需要 iC-PR 中包含的各種功能,但仍然想利用緊湊的尺寸和寬鬆的組裝要求的相對簡單的系統,iC-Haus 提供 iC-PX 系列。 iC-PX 適用于 AB 增量系統 (正交信號,無零位元標記),並且不提供類比輸出模式。這促成了更小的晶片尺寸,適用 3 x 3 mm optoDFN 封裝。 iC-PX 系列的主要特點如下:AB 正交輸出無透鏡設計針對 Ø26 mm 和 Ø32 mm 的反射式碼盤進行了優化單片設計: 集成了高密度相位陣,信號調節,類比/數位轉換和 LED 功率控制集成藍光 LED 與自動功率控制: Encoder Blue®數位輸出 (引腳可選擇1倍至16倍細分)工作溫度: - 40 °C 至 + 105 °CoptoDFN 封裝 3 x 3 x 0.9 mm低功耗: 典型值 13 mA (包括 LED) 由於不帶零位元標記,感測器相對於碼盤的位置甚至更加靈活。六、優勢標準封裝: 該全集成解決方案採用用於 iC-PR (QFN尺寸,帶光電感測器的玻璃窗) 的 optoQFN 封裝,以及用於 iC-PX 的 optoDFN 封裝,大大簡化了 PCB 設計。封裝以及晶片高度與其他 QFN / DFN 標準晶片相同。這消除了市場上其他反射產品所需要的創建特定PCB元件占位的麻煩。圖5:iC-PR , iC-PX的標準QFN/DFN 元件占位和尺寸更高的溫度範圍: iC-Haus 的所有反射式編碼器晶片都實現了無透鏡設計。這降低了模組的高度,並提供了前一章提到的其他優點。其他解決方案需要在系統的頂部放置一個塑膠透鏡,然而 iC-Haus 的技術是不需要的。塑膠透鏡不僅增加了系統的高度,而且還限制了最高工作溫度,通常為 + 85 °C。使用 iC-Haus 的無透鏡反射技術,最大工作溫度為工業通常要求的 + 105 °C。 更寬的操作距離: 帶透鏡的反射式解決方案的另一個限制是感測器和碼盤的操作距離範圍。由於透鏡的焦距,距離容許範圍窄,通常為 ± 0.25 mm。iC-Haus 的反射技術結合了無透鏡設計與自動 LED 功率控制,將允許的操作距離範圍增加到 1 至 3  mm,始終具有穩定的輸出。 更高品質的信號: iC-Haus 的反射解決方案還集成了藍光 LED 和高密度相位陣光電二極體,針對不同的碼盤尺寸進行了優化。藍光 LED 和藍光增強型高密度相位陣光電二極體產生了具有更高對比度的更清晰的信號。這促使降低輸出抖動,即使在細分之後。光電二極體針對覆蓋多種直徑範圍的不同碼盤尺寸進行了優化,甚至超緊湊的 4 mm 直徑的碼盤也在內。當使用模擬輸出進行外部插補細分時,這種優化尤為重要,因為正弦/余弦信號的品質保持卓越,允許高精度和高解析度插補細分。圖6:反射式編碼器傳感器基本光學設計和光線追跡模型易於使用: iC-PR 和 iC-PX 系列完全可由引腳配置,避免了編程和校準的複雜性,從而減少了編碼器的製造時間。以及寬鬆的組裝公差,可以顯著提高編碼器生產線的總體效率。七、應用反射式編碼器可用于不同的應用,有時可用于替代其他類型的編碼器,在某些情況下可用于當前編碼器技術尚未達到的新應用中。大多數具有增量定位檢測的運動控制裝置可以利用 iC-PR 或 iC-PX 系列,但反射式編碼器的主要焦點在緊湊型編碼器應用,例如:    小型電機和執行器    工業自動化機器人    消費機器人    增量式編碼器    單軸或多軸定位平臺 八、總結從工業機械到家用電器,所有領域的自動化水平正在迅速提高。這對編碼器提出了新的要求,編碼器是運動控制的基本設備。在這方面,反射式光電編碼器是一種新技術,它結合了高性能和緊湊的尺寸。特別是采用藍光編碼器技術的 iC-Haus 反射式光電編碼器不僅提供小尺寸,而且提供穩健性和優越的組裝公差,同時還提供卓越的輸出信號。iC-PR 和 iC-PX 系列易于使用,適用于各種增量式編碼器,不會給制造過程帶來復雜性。這使得更廣泛的產品能獲得精確運動控制的好處。 九、文獻[1] Wikipedia: Rotary Encoder, https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder[2] Absolute Encoder Design: Magnetic or Optical?, Whitepaper iC-Haus, http://www.ichaus.de/wp6_magnetic_vs_optical[3] iC-PR Series – Reflective Opto Encoders, Datasheet iC-Haus GmbH www.ichaus.de/PR_Series_datasheet_en[4] Basics of Rotary Encoders: Overview and New Technologies, http://machinedesign.com/sensors/basics-rotary-encoders-overview-and-new-technologies-0[5] Basler S. (2016) Encoder und Motor-Feedback-Systeme, Springer Vieweg 文章(資料來源于iC-HAUS官方網站)
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高度集成化電路趨勢---無源器件內置 XR73
省空間方案——無源器件內置簡介:隨著科技的日益發展,無論是工業產品,還是各種消費類電子產品,對體積和空間的要求越來越嚴格。例如,世界第一臺計算機的體積猶如一座小樓,而如今的計算機卻可以做到如手掌的大小,人類文明的進步,造就了工業和技術的高速發展。同樣在各種高速發展的科技信息行業中,集成電路發展有著急劇的變化,從lead引線元件到大規模的SMD,從簡單的單層PCB發展到多層PCB通孔連接,從高功率大體積到低功耗小尺寸的變遷。而近些年來嵌入式電阻和電容的技術又走在了科技的前端,也將代表著下一個時代和未來的趨勢。在此之前,人們已經發明了多層PCB板技術,其中核心的部分就是大家熟知的微過孔技術,其不同層的PCB布線通過激光通孔,附銅連接。在應用中,在一定程度上減小了PCB電路布線的面積,只留下元器件所需的空間和尺寸。而無源器件的內置技術,將更有可能改變電路設計的面貌。微過孔電路實現了更高的密度、更輕的重量和更好的性能,但電路板本身仍是許多導線的連接體。而采用無源器件內置技術后,電路板將變得完全不同于以往。其被動器件(如:電阻、電容)將會被集成在PCB內部,而外部不會留下任何無源器件,這樣PCB的空間和尺寸會被壓縮至最小!無源器件內置是一個相對較新的概念,目前諸多公司都在接觸和研究這個新的技術,因而在國內市場上還未得到普遍應用,造成這個情況的制約因素主要有兩點:1、國內目前未有整套完整的體系去驗證該計劃的可靠性以及穩定性。2、PCB廠家的生產加工技術,需要高精密的儀器和生產技術才能配合到嵌入式PCB的設計和開發。但就算是存在著諸多難點,為什么要內置它們呢?究其根本原因無非就是電路板表面空間緊張,客戶產品在往小型化,高度集成化方向發展。在典型的生產裝配中,占生產成本很小的元件部分可能會占據PCB大部分的空間,并且這個情況越來越嚴峻。因為我們設計的產品需要支持越來越多的功能,導致其項目設計中要支持更多的功能、更高的時鐘速率和更低的電壓,這就要求有更多的功率和更高的電流。同時還需要對電源分布系統進行很大的改進。這一切都需要有更多的無源器件(如:電阻、電容),而無源器件的增加,勢必會占據相當大一部分PCB空間。無源器件內置的優勢:      1、 節約了寶貴的電路板表面空間,縮小了電路板尺寸并減少了其重量和厚度。      2、 嵌入的方式由于消除了焊接點,因此減少了引入的電感量,從而降低了電源系統的阻抗,可靠性得到很大提高(焊接點是電路板上最容易引入故障的部分)。      3、 無源器件的嵌入將減短導線的長度,并且允許更緊湊的器件布局,從而提高電氣性能。嵌入式電阻:目前市場環境中某些制作嵌入式電阻PCB的方式是采用雙金屬層結構——銅層與一個薄的鎳合金層構成了電阻器元素,然后通過對銅和鎳的蝕刻,形成具有銅端子的各種鎳電阻,并且直接與布線相連接,然后這些電阻器被層壓至電路板的內層中。該技術已經被應用于通訊設備中,如:衛星、基站。而在醫療電子設備、航空電子設備和電腦設備中也得到了應用。嵌入式電阻不僅可以節約空間、減少重量和尺寸。同時也可以提升電子性能。日本專業電阻生產商KOA在電阻行業有長達60年以上的生產和研發經驗,對應著新型PCB工業的技術,當然也不會落后,其XR73系列電阻,可以完全內嵌于PCB設計的電路中,并擁有很好的公差和其他標準的電阻特性,XR73系列電阻為一個單獨的抵抗體,較上述部分的嵌入式電阻方式,在阻值誤差,溫漂,以及一些噪聲和各批次間的一致性身上有著獨特的優勢,因為XR73是個完整的個體,是采用標準的電阻生產技術來完成的,其溫度控制和功率控制,以及阻值控制部分都存在著很大的靈活性,并且該系列嵌入式電阻的應用,可以在寬大的雙面銅電極上直接進行微過孔連接PCB的布線,所以輔助PCB的印制,少了很多工序,可以直接層壓到PCB中。如下為KOA XR73的基本框圖以及相關的尺寸:                                可以從圖中看出,其內部架構,保護膜,基本散熱部分,電極部分都是十分的完整。并且其中有兩個部分有著和突出的表現:1.     面積很廣的雙面電極。2.     非常低的厚度值,可達0.14mm.在嵌入式無源器件PCB中采用該系列的電阻應用有著如下的優勢:1、高集成度。該系列應用通過三維可視化的安裝方式較普通的SMD貼片有高精準性和穩定性的優勢。2、高散熱性。大家熟知,如果嵌入式電阻的溫升過高,將會造成整塊PCB的熱量過大,后續不得不借助外圍器件散熱,而XR73系列在溫升控制方面非常優秀,采用導熱率高的樹脂充當電阻外層的保護膜。          3、高可靠性:將電阻層壓至PCB中,而PCB外層相當于電阻的物理環境保護膜,所以對電路的穩定性有很大的提升。     4、高優異抗彎曲性及抗震性。內嵌式電阻較大的弊端的一部分在于電阻一旦潛入在PCB內部,它的電極部分被固定,當熱脹冷縮,和外部高強度機械應力彎曲電路板時,會對內嵌的電阻有個非常嚴峻的考驗, XR73系列采用了相關的技術能夠承受一定程度的彎曲和熱脹冷縮考驗,并且KOA內部的測試針對該項目的要求也十分嚴格,采用大批量的彎曲0mm~1mm,0mm~5mm規格,測試后電阻的誤差必須控制在公差范圍內。5、非常優秀連接性。 在上文中也提到過微過孔技術,內嵌式電阻再加上微過孔技術,不僅可以將電阻內嵌在PCB中,并且PCB還可以多層化,而這樣就會更加節省空間。XR73系列最大亮點在于,它是雙面電極,并且電極部分是由Cu制成,具有很強的抗震性,而這一特點有著非常顯著的應用---那就是XR73系列可以在電阻的電極上實施微過孔技術的同時與多層PCB的連接。   總結:    其無源器件的嵌入式PCB,將會是一個趨勢,目前國內諸多的電子產品和一些終端設備的研發和制造商,都非常關注這個領域,將其作為一個技術的貯備,不斷的去探索。嵌入式PCB可能較普通PCB的生產成本會提高,但是其對設計的改進(更小的尺寸,更少的層數,更輕的重量),安裝費用的節省(從雙面安裝變成單面安裝),以及帶來的性能提升都應該被考慮到。隨著工藝的進步、產量的增加以及競爭方的合并,成本必然會下降,應用也將會更廣泛。
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iC-PR 系列 藍光反射式編碼器 (新產品)
新產品:iC-PR 系列 藍光反射式編碼器       iC-PR系列是一個先進的光學,反射式,無透鏡的編碼器,具有集成的高密度相控陣光電傳感器和一個藍色LED。芯片提供高信號質量與寬松的裝配公差。差分數字ABZ輸出有或沒有插值,或輸出模擬SIN/COS帶索引可選擇使用。典型應用于電機控制的增量編碼器。藍色增強的光電傳感器適應嵌入的短波長藍色發光二極管,并提供低抖動輸出由于提高了信號對比度。獨特的藍色發光二極管和傳感器裝配技術以致具有低光學串擾。 特征無透鏡反射式光電編碼器芯片,緊湊,高分辨率,增量合適的反射式編碼盤Ø 4, Ø 14, Ø 26 和Ø 43 mm單片高密度相控陣列具有良好的信號匹配性能集成藍色LED具有功率控制功能,EncoderBlue ®低噪聲信號放大器具有高EMI容忍引腳可選操作模式:數字A / B / Z(x1,x2,x4、x8、x16的插值);模擬COS / SIN帶用模擬或數字Z信號索引選通:不選通( 1 T ) ,B選通(0.T),AB選通(0.25 T )引腳可選擇最小邊緣距離:80 ns, 1 μs, 10 μs互補正交輸出 PA, NA, PB 和 NB互補索引輸出 PZ 和 NZ模擬信號輸出便于裝配對準和通過外部插補器提高分辨率工作溫度范圍:–40℃ ~105℃緊湊無透鏡optoQFN封裝(4 mm x 4 mm x 0.9 mm)可提供評估套件 應用增量編碼器微型馬達和執行器X-Y和線性應用工廠自動化機器人消費機器人
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17位元絕對值磁編碼器-MU1C離軸電機回饋模組
MU1C離軸電機回饋模組應用旋轉編碼器電機回饋運動控制 特性磁性離軸絕對位置編碼器模組17位元位置資料輸出通過BiSS/SSI快速串列介面正交ABZ信號輸出通過RS-422線驅動器iC-HF或Sin/Cos輸出通過線驅動器iC-MSA可編程解析度1到32,768 (FlexCount)位置預置功能旋轉速度達12,000 RPM5V電源供電具有反極性保護工作溫度範圍 -40 °C 到80 °C評估板套件包括磁碼盤MU2S 30-32N和線纜配置用戶圖形介面軟體帶自動校準功能方框圖:
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iC-MU150離軸磁性游標編碼器 - 極寬1.50 mm
iC-MU150特性集成霍爾感測器雙軌道掃描霍爾感測器優化為1.50mm極寬(主碼道)信號調節偏移、幅度和相位12位元解析度的正弦/數位即時轉換(14位元過濾)2軌道游標絕對值計算高達18位16、32或64極對測量距離使用兩個iC-MU150增加測量距離與外部多圈系統同步從外部EEPROM使用多主機 I2C介面配置相容的微控制器串列介面(SPI,BiSS,SSI)增量正交信號帶索引(ABZ)FlexCount®:靈活的解析度設置從1到65536CPR 應用旋轉絕對值編碼器線性絕對尺度單圈和多圈編碼器電機回饋編碼器無刷直流電機換向空心軸編碼器封裝圖:方框圖:
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高精度 - 正弦/餘弦插值餘弦插值細分法
高精度-正弦/餘弦差值細分法現有的驅動控制器需要配備有高分辨率的磁電或光電定位傳感器以實現速度控製或者定位的功能。所使用的傳感器需要專門配備集成電路,用於傳感器信號的調節以及正弦/餘弦信號向數字信號的轉換此份白皮書描述了"細分器";在正弦/餘弦信號向數字信號轉換(S/D轉換)的方法以及相關技術挑戰,其同樣也討論了與傳感器相關的測量誤差以及對其補償措施,並展示了最新的芯片解決方案以及如何對其進行選擇。目錄:1.  正弦/餘弦信號向數字信號的轉換方法..........21.1 快閃型(Flash) 轉換器.......................21.2 矢量跟蹤轉換器.............................31.3 採樣保持型的SAR轉換器......................41.4 持續採樣A/D轉換器..........................41.5 插值細分組件對比...........................52.  帶有示例的測量誤差.........................62.1  信號調節的概念............................93.   總結......................................134.   參考文獻..................................13 白皮書正弦/餘弦信號向數字信號的轉換方法高精度的磁力或者光電傳感器[1]可以將角度信息或者長度信息以90度角的形式進行編碼並轉換為正弦或者余弦信號。其中使用細分器進行非線性的A/D轉換,其用於將正弦/餘弦信號轉換為轉角階躍(參見圖1),其可以用增量信號也被稱為正交信號進行展示,也可以用絕對數值字段進行展示該字段所表達的正弦信號的相位角。圖1:通過”細分器“的角度轉換非線性轉換函數通常使用反正切函數,這樣相位角PHI可以直接從正弦和余弦電壓中獲得。多種A/D轉換概念可應用於:快閃型轉換器,例如iC-NV,使用了多個獨立的比較器;矢量跟蹤轉換器,例如iC-NQC以及iC-MQF,其僅配備了幾個比較器,用於對控制器在向上或者向下的方向上進行初次信號採集,然後對所輸入的角度進行跟蹤;SAR轉換器,例如在iCMP中提及的,在基本原理上與矢量跟蹤轉換器相似,但會保持輸入信號直至獲得相應的計數值;使用線性A/D轉換器(例如:在iC-TW8中使用的)也可以進行角度計算,其中該A/D轉換器可以分別將正弦和余弦信號進行數字化處理.完全集成了磁電和光電感應的單芯片編碼器,例如iC-MU或者iC-LNB,使用矢量跟蹤轉換器來實時提供位置數據[1,2]。1.1 快閃型(Flash) 轉換器圖2展示了一種帶有多個獨立比較器的快閃型轉換器,在不同正切函數閾值時進行切換。至少一個比較器用於??定義一位角解析度,也意味著對其配備的硬件要求非常高,所以需要使用很大的芯片面積–除非放棄精密電路。因此,這種形式適用於較低分辨率同時精度要求也並不是特別高的方案。 圖2:快閃型轉換器快閃型轉換器有很多優點:其比較器可以並行工作並且幾乎同時完成信號轉換。由於在建立穩定的過程中會形成轉換毛刺,因此使用了邊沿距離控制的專利技術用於建立均衡。當連續邊沿到來時,如果其間隔過近會推遲,則會產生一個可計數的輸出信號-電路起到濾波器的作用,而且未受干擾的輸入信號在通過時並不會產生延遲,也就是說該濾波器的作用不會產生任何延遲效果。快閃型轉換不需要進行採樣。因此,由於產生的正交信號不會和任何時鐘信號同步,所以此信號帶有“模擬的”抖動特徵–這種特性對於速度控制非常適用。典型應用於光電或磁性電機編碼器。1.2 矢量跟蹤轉換器矢量跟蹤轉換技術主要應用於進行更高的解析(參見圖3)。其配備有一個初級比較器,該比較器用於??控制計數器向上或向下計數。數字計數器將數值輸入一個D/A轉換器並生成模擬正切信號。該正切信號同餘弦信號混合,並生成一個正弦信號-然後將正弦信號進行對比。圖3:矢量跟蹤轉換 白皮書當系統穩定後,計數器包含相位角並且逐步長或者說逐比特位的記錄每一個輸入信號的變化。這個過程中不會產生階躍。矢量跟蹤轉換器的優勢是該系統的功能與時鐘無關,系統僅在輸入發生變化時才會被觸發,這樣可以縮短系統的延遲時間。由於該系統僅需要一個比較器,因此其設計可以做到更加精密。潛在的電路中的偏移誤差會以同樣的方式對所有切換點產生相同影響–可同遲滯現像比較–因此??該系統在精度方面也具備一定優勢。跟蹤轉換器輸出遞增信號時會產生相應的模擬抖動。當達到可調的最高跟蹤速度的限制時,時鐘同步影響才會顯示出來,例如在輸出信號時發生故障。基於實時以及高解析度的特性,該類型轉換器被作為線性位置測量系統的首選。1.3 採樣保持型的SAR轉換器對於不需要輸出遞增信號的絕對測量系統來說,圖4所展示的採樣轉換器是一種合適的選擇。 SAR(逐次逼近) 轉換器的工作原理同矢量跟蹤轉換器原理相似,不同的是逐次逼近寄存器可以更快取得相近的相位角,因為其步長可以更大且工作時不需要逐比特位進行跟蹤。圖4:採樣保持型的SAR當受到外部數據請求觸發時,系統通過採樣保持電路對輸入信號進行凍結。在該系統中,模擬信號的穩定時間主要決定了轉換的速率和精度。此類型的轉換器通常應用於電機控制系統以及逆變器等對於角度信號有較高解析度要求的系統中,其可以對模擬編碼信號或者位置編碼信號進行處理。1. 持續採樣A/D轉換器典型的方法:iC-TW8使用持續運行線性A/D轉換器(圖5)然後對相位角進行計算。該系統的優勢在於數字信號處理:信號誤差既可以通過一次性按動按鈕進行初始化校準後消除,也可以持續的通過自動傳感器漂移補償進行校正。圖5:採樣A/D轉換器信號濾波的使用使得解析度超過實際可用A/D轉換器解析度成為可能。合成產生的增量輸出信號的完美佔空比為50%並且幾乎沒有抖動。但是,在系統控制時也需要考慮對由於信號處理所導致的幾微秒的恆定延遲時間。該轉換器主要應用於高解析度的線性測長儀以及受益於提供自動信號校正的旋轉式編碼器系統。插值細分組件對比 無須贅言,使用什麼種類的轉換器由其應用範圍決定:選擇跟蹤轉換器iC-NQC以及iC-MQF的原因是因為其具有實時的特性,最小延遲時間不超過250 ns,這通常通過模擬路徑運行時間決定。對於採樣轉換器iC-MR和iC-TW8來說,測量數值時的穩定時間(參見表1)至關重要,其決定了可能實現的採樣率。 iC-MR可以在2微秒內使用13bit對角度位置進行解析,而連續運行轉換器iC-TW8需要24微秒並採樣6個樣本用於更新位置數據。另一方面,如果速度是恆定的,iC-TW8可以通過可調的數字濾波器將現有的延遲期降低到4微秒內。和旋轉變壓器的處理一樣普通,然而輸出位置信息能在相當短的時間內追趕輸入角度。表1:轉換特性白皮書 除解析度外,同樣需要考慮精度,轉換器的精度不僅同A/D轉換器的處理器質量相關,同時也與信號調節的範圍值相關。每個針對信號路徑進行修正的D/A轉換器都需要預留芯片面積,相應的也會導致成本的增加-因此對於電路設計者來說需要進行優化設計。表2中器件比較顯示iC-MQF轉換器的解析度與iC-NQC的解析度相比要更低。不過,由於具有更精密的分隔信號調節,因此其精度更高。安全導向的編碼器系統需要一些附加功能:iC-MR器件具有特殊的診斷功能,例如:信號和溫度監控,內存檢查以及錯誤模擬。對於控制器通訊,一個並行接口以及多個串行接口都可用。通過設置BiSS C上的位置數據輸出,可以增加安全計數數據及擴展至16位CRC校驗。表2:操作特性2.      帶有示例的測量誤差如有必要,需要對圖6中示例指示的在磁環掃描過程中使用磁阻傳感器導致的測量誤差進行考慮。 圖6:帶有誤差源的應用實例 白皮書 潛在的誤差源可能是: 不精確的磁化測量目標磁阻傳感器偏移或者幅度導致的信號誤差不精確的傳感器位置對齊導致的正弦/餘弦相位誤差錯誤調節或調節不足導致的信號誤差不精確轉換導致的測量誤差如果沒有相應的抵消措施,會產生錯誤的插值細分結果,因此增量輸出信號明顯抖動較強。一方面機械角度變更導致的輸出抖動是可以接受的,但是另一方面由於測量系統誤差導致的抖動是無法接受的-令人遺憾的是,無法對這兩者進行區分或者匹配。因此,對於潛在誤差源的精確認識是非常重要的。角度計算公式表明了我們需要對哪些信號誤差進行考慮:公式:通過反正切函數的角度計算 與其相關的誤差源有:偏移電壓,與理想相位差之間的偏差,正弦與餘弦幅度之間的偏差,可能的諧波波形扭曲。因此,我們需要知道這些信號誤差是否需要進行“調節”或者該誤差可以被忽視。 三個案例估算對調節精度的要求:磁性,同軸,1CPR:0.1度(12位)精度:       要求信號誤差 磁性,離軸(32對磁極),64CPR:0.1度(12位)精度:       要求信號誤差光電,離軸,2048CPR:20秒(16位)精度:       要求信號誤差 白皮書 案例1:如果期望機械角度精度為0.1o(12位/每轉)同軸霍爾傳感器系統,每轉提供一個正弦週期信號,那麼可以推斷出每個信號誤差必須低於0.2%。儘管人工手動調節非常費時且對於現有的測量設備也是一個很大的挑戰,但是仍然可以實現精度調節。調節工具參見:http://www.ichaus.de/tool??s適合的器件:iC-NQC,iC-TW8,iC-MR 案例2:使用磁阻傳感器採樣磁環時,可降低對插值細分深度和技術上信號精度的要求。儘管如此,更加精確的調節仍然需要依賴於測量目標磁化的精確程度。輸入頻率隨著極數的增加而增加-由於插值細分倍數的減少,因此其對於矢量跟蹤轉換器來說也並不是問題。適合的器件:iC-TW2,iC-MQ,iC-NQC,iC-TW8。 案例3:關於光電編碼器系統,例如2048正弦週期每轉,應該進行更精確的解析,其對於信號調節的要求似乎並不是特別高。但是,通常光柵誤差一般已達到最大允許測量誤差,這樣額外的信號調節誤差就無法接受了(參見表3)。因此,由於較高的輸入頻率,對於細分電路的要求變得相當高。採樣組件例如iC-MR是必需的。表3:與校準相關的角度誤差 白皮書 2.1 信號調節的概念 為獲得較好的細分結果,傳感器信號需要進行調節[3]。器件iC-MQF及iC-MR應用於模擬前端(AFE,參見圖7)用於信號調節,其通過多個D/A轉換器進行調節。與之相對,iC-TW8使用自身調節數字信號校準。 用於信號調節的模擬前端(AFE)圖7:用於信號調節的模擬前端精密儀表放大器提供了一個粗糙的放大信號用於信號適應,同時通過精細調節器平衡信號差異。進一步通過D/A轉換器在前端進行偏移校正,其可以根據信號跟蹤校正。前端可以測量信號中的DC部分或傳感器供電作為參考信號。另外,電流控制器可以提供一個穩定的條件,例如通過為磁阻傳感器供電或為光學系統中的LED供電。此處的優勢在於,如果在室溫下進行調節,校準精度不會隨溫度的變化而變化。 關鍵特徵:集成的電流/電壓轉換器以及電壓分配器已校正偏移的儀表放大器獨立的可粗調或微調的放大因子通過跟蹤偏移參考進行傳感器漂移補償通過調節傳感器供電實現信號穩定(總計值或者李薩如圖)白皮書 數字信號校正 在模擬路徑中,iC-TW8僅具有粗放大和粗偏移調節器,以便使輸入信號處於A/D轉換器的最佳工作範圍中。 (參見圖8)圖8:帶有A/D轉換器的FPGA 前端以及數字信號校正器相應的,僅有數字信號進行校正計算。可以通過一個精密的漂移監控器對出廠校準進行評估偏差,用於設置警報。角度位置通過CORDIC算法(坐標旋轉數字計算法)進行計算。 關鍵特徵:可調的粗放大因子(6 到45dB,3dB每步)可調的模擬偏移校正(100mV每步)數字偏移以及偏移漂移校正(244 μV每步)對幅度差的數字補償(0.02%每步)數字相位校正(0.056o每步)概念優勢兩個概念都展示的優勢:電源接通後,當系統處於??停止狀態時,模擬信號路徑已校正穩定,因為傳感器供電在校準時已調到最佳信號狀態。在信號路徑上沒有額外的延遲時間,因此可以很快地獲得細分結果。對於初始化出廠校準,可能需要配備自動的測量設備。數字校正利用現有的運動,要么通過最初定義的最合適的靜態適應,要么在應用中對其動態漂移進行長期不斷的補償。校準的測試設備不是必須的,且可以通過自動方式或按動按鈕進行現場重新校準。這有利於由客戶自行安裝的模塊化系統。表4顯示關於實現的補償功能的器件對比白皮書 器件特徵概覽 iC-NQC 13位信號調節插值細分芯片 實時增量輸出 BiSS絕對接口具備週期計算BiSS從機BP1,SSI   iC-MQF 可編程帶RS422驅動的12位正弦/餘弦插值細分芯片實時十進制增量RS422故障保險傳感器供電控制白皮書 iC-MR 帶控制器接口的13位採樣保持正弦/餘弦插值細分器 BiSS或嵌入式單圈和多圈處理安全監控特性 關鍵特性:快速採樣保持細分:2us,精密信號調節,源控制輸出(ACO),1Vpp線驅動輸出,並行8位單片機接口,串行接口(BiSS/SSI,SPI),I²C,12位A/D轉換器(溫度感應)安全特性iC-TW8 帶有自動校準16位正弦/餘弦插值細分器 自身校準單次/不斷完美增量信號 關鍵特性:250ksps,16位,恆定延遲時間(24us),延遲恢復到4us(伺服環路),二進制/十進制0.25倍至16384倍,後置AB分配器[1/1到1/32],輸入頻率125kHz,A/B/Z 8MHz,最小邊緣距離tMTD 31ns,自動偏置,放大,相位,按鈕校準,通過LUT進行扭曲補償,信號質量監測,使用引腳設置,I2C,SPI,3.3V(15mA),5V白皮書 3.   總結使用不同方式對S/D轉換器進行了展示,專門為插值細分,在選擇最優解決方案時應考慮多個重要準則。本章的表格[4]包含最新芯片解決方案,也可以在線下載。4.參考文獻[1] EncoderTechnologiesinComparison:Magneticvs.Optical,Elektronik10/2012[2] 18BitAbsolutEncoder-IC,ElektronikIndustrie03/2012[3] EasyConditioningandSafeTransferofSensorSignals,Elektronik Industrie4/2010[4] ProductSelector Interpolator IC 關於iC-HausiC-Haus GmbH是一家行業領先獨立的德國製造商,為標準集成電路(ASSP)和定制ASIC半導體提供解決方案的全球代表。 30多年來,公司一直致力於在工業,汽車,醫療應用的專用集成電路的設計,生產和銷售。iC-Haus在CMOS技術,雙極技術以及BCD技術方面的單元數據庫專門用於設計實現傳感器,激光/光學以及驅動器ASIC。集成電路組裝在標準的塑料封裝內,或使用iC-Haus板上芯片技術製造完整的微系統,多芯片模塊,和連同傳感器的optoBGA / QFN。更多信息請訪問:http://www.ichauschina.comhttp://www.ichaus.com
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關於更加安全的汽車FET驅動應用
根據IEC 61508和ISO 26262實現功能安全解決方案會影響整個工程過程從集成電路的設計到加工和質量管理。新的ISO 26262標準的目的是在汽車的每一個單一功能實現可比較的和獨特風險評估。本文概述了與微控制器平臺及其周邊的情況,還分析了功率FET的功能保護特點。  在汽車領域未來大多數的創新將圍繞新的電子系統,例如電子轉向(X-by-wire),制動輔助系統(BAS),電子差速鎖(EDS)和完整的電力驅動(混合/電動汽車)。這又反過來增加了我們對電子裝置功能安全的依賴,在混合動力汽車或電動汽車達到了新的高度。到現在為止,不斷提高質量設法保持在一個高等級的可靠性–儘管越來越複雜的設計和大量的電子子系統內置到每個汽車。電子安全相關功能的使用,如轉向,操作,和自動制動,要求這些過程的功能安全並且不造成損害,即使當一個簡單的故障發生。 2004年它成為必要的責任,因為IEC 61508適用於所有與安全相關的開發。特別是關於汽車工業,ISO 26262管理著功能安全,目前正在標準化並在未來兩到三年生效。這個新的國際標準作為客觀的文件, 在每一個車輛功能具有可比較的和獨特的風險評估。本質安全硬件  多年來,安全的ASIC /定制芯片設計的特點是ABS和安全氣囊系統的要求,是最先進的技術。然而,如果我們看一看在汽車電子基於微控制器的平臺,情況是非常不同的。圖1是一個總框圖顯示在汽車中的一個電子控制單元。除了電池供電,單片機是中央單元處理本地的傳感器信號,與其他子系統通信,並通過功率單元激活執行器。在安全控制器軟件已經有了長足的進步,設計加工管理,和AUTOSAR汽車電子通信系統,汽車SPICE / CMMI和FlexRay。也有一些微控制器已經或即將進入市場,將能夠滿足ISO 26262的要求ASIL D(汽車安全完整性等級D)。至於硬件設計而言,這幾個方面是目前的焦點:電壓監控,傳感器邏輯和功能的監控,傳輸路徑,其次是功率單元的完美驅動。傳感器可以被監測通過硬件和微控制器軟件的邏輯。對於傳輸鏈接,合適的協議有助於可靠地識別並且可能糾正這些故障。功率輸出級的設計是一個特殊的挑戰,例如,在執行器的狀態回讀冗餘可能極具成本約束。圖1:汽車電子控制單元總體框圖單片機和控制單元之間的接口  我們的目標是安全操作功率單元使用來自微控制器的輸出信號。對日益複雜的微控制器趨向於具有較低和更低的功耗,導致了較低的電源電壓,較低的核心電壓,和較輕的I / O電壓在輸出低額定負荷。在復雜的微控制器, I / O 電壓現在一般是1.8 V 到3.3 V。這抵消了不斷增長功率單元的需求–也長期作為48V車載電源,旨在降低電流和電纜損耗。電子驅動,如轉向或剎車,在發生故障時非常關鍵。這裡,ISO 26262定義了四類風險(ASIL A至D),考慮到具體的安全要求和定義的最大允許的失效概率。要求通過技術解決方案,降低風險。具體而言,這意味著關鍵的故障必須被檢測並主動預防故障。功率FET完美的激活是這樣非常的重要。當然也適用於FET驅動器,這是單片機和功率輸出之間的主要環節。當設計FET驅動器,非常重要包括所有的設計參數。下面是典型的: 1. 錯誤監測(從輸出端之間連接的GND或VCC缺失) 2. 驅動電源和啟動特性(例如單片機I/O三態) 3. 注意功耗,負載電流,和開關頻率。  當評判一個驅動器的安全功能,主要關注的是第一級的故障檢測和電路如何反應:1.由於印刷電路板或元器件的缺陷缺少接地2.電源電壓缺失或波動3. 兩個輸出連接/短路4. 外部突發瞬變5. 輸出過載和超溫圖2:從FMEA摘錄  本次評測將自動導致一個FMEA或失效模式影響分析。這樣做的目的是為了系統地記錄可能發生的事情和必要的測量,按照IEC61508和ISO26262實現功能安全。在驅動級應用FMEA  FMEA試圖描述哪一個元件功能和潛在的故障或失效可能發生。失效的原因和影響進行了分析和評估,對整個產品和用戶具有重要的意義。接下來的問題要回答的是如何可能會出現故障–以及如何檢測和防止以避免任何進一步的損害。這些詳細的分析記錄,成為任何集成電路設計規劃的一個組成部分。他們當然也集成在生產過程中,集成電路測試,和產品的質量保證。通過舉例的方式,圖2給出了一個廣泛的FMEA用於FET驅動器的第一頁資料。預防潛在的錯誤是首要的和最重要的,是在產品和之後的操作中具有可靠的檢測。 FMEA可用來確定潛在的關鍵錯誤,他們如何確定,以及如何避免其影響。這些信息直接影響到後續的IC設計。FET驅動器功能安全的一個例子  這些具體的安全措施,通過從一個安全FET驅動器系列的IC模型舉例詳細解釋。圖3給出了一個NMOS邏輯FET驅動電路的原理圖(例如,IRL44N),使用iC-MFL作為一個驅動器。在發生錯誤的情況下IC必須防止NMOS邏輯FET通過一個邏輯信號激活。與所述第一級的故障,驅動器輸出必須保持在一個安全的低電平。除了基本功能,電平轉換(從1.8 V–3.3 V至5 V),功率FET輸入驅動器,iC-MFL的設計保護措施,防止下列錯誤:1. IC缺少GND或VCC2. 輸入開路(例如電纜斷裂或單片機I/O口三態)3. 兩個輸出短路  最嚴重的情況是地或電源電壓VCC的缺失,其中一般標準的FET驅動器不能保證在輸出為安全低。除了傳統的VCC或電源監控,接地監控能力也被包括在器件中。如果地的連接被中斷,沒有這些措施無明確潛在的比率可用於內部邏輯,外部FET通過從IC內部電路將被激活。該器件具有兩個地(GND和GNDR)。  如果一個連接中斷,監控識別故障並關閉輸出級。如果VCC中斷,輸出也明確由一個值約30 KΩ的內部下拉電阻連接到地,從而切換到一個安全的操作模式。為了增加安全性,所有輸入具有施密特觸發級和下拉電流。在單片機的啟動階段,這期間所有的I/O端口三態,這些下拉電流保證了規定的FET驅動器的輸入狀態。 FET驅動器輸出是有效的推/拉電流源,其中拉側連接到地比推側強。如果外部兩個輸出短路,其中一個驅動高電平和另一個為低電平,芯片輸出為低,並保證一個低的電平。輸出具有防過壓保護他們免受突發瞬變(18 V,100 ms)。  FMEA也可以在其他情況下使用,如PMOS-FET驅動電路,或其他輸入和輸出電壓範圍,實現相同的單一故障保護。為了NMOS-FETS和PMOS FET安全驅動,器件提供可調節輸出電壓範圍5 V,10 V和滿幅度電壓。上面的例子只是說明了在工作過程中防止故障措施,並且由IC設計直接影響。圖3:安全功率FET驅動電路前景  如圖所示,實施功能安全系統根據IEC 61508和ISO 26262影響整個工程過程,從集成電路設計到加工和質量管理措施的展開。這將必然導致各部門作為一個團隊在一起工作,為項目開發做出所需持久的和巨大的努力。相應的分析是必要的,在電子工業和其他子領域。    當然也適用於完整的系統級別,例如轉向或製動系統。這是可以預期的,安全功能將日益成為在汽車行業和工業環境的標準。 
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Encoder Blue: iC-Haus 使用藍光LED實現新一代光電編碼器!
iC-Haus 使編碼器呈現在藍光下使用藍色LED實現一種創新飛躍的單芯片光電編碼器iC-Haus 開發用于光學定位編碼器的傳感器芯片,該芯片搭載了專門針對藍光設計的光電二極管。產品圖片:Encoder blue器件體積小巧的optoQFN封裝形式下載文本及圖片:http://www.ichaus.de/iC-Haus_Encoder_blue_newsrelease_cn  藍光的較短波長以及較淺射入深度可以有效地提升增量式編碼器和絕對式編碼器的性能,例如:分辨率,信號幅度,諧波失真以及抖動性等。同其它波長較長的光線相比,藍光在相同的間隙寬度下可以產生更小的衍射,因此可以產生更清晰的圖像。    現代半導體工藝使加工更加精細的平面結構成為可能,其可以利用藍光的射入深度淺的優 點提高效率。同時精細的結構也允許光電二極管使用交錯布局,這樣可以降低編碼器正余弦信號的偏移。同時對光敏感區域的高填充因數可以通過等效幾何變換來實現。  藍光  LED 是白光發射的基礎,汽車工業和照明技術對于白光發射器都有著極高的需求。  目前,具備較好恒溫和長期穩定性的藍光LED已經可以使用,由于藍光LED具備更高的產光率和更高的效率以及更優惠的價格,因此目前使用于編碼器中的IR 或者紅光LED 與藍光LED 相比,在一定程度上就顯得相形見絀了。隨著 LED 技術和CMOS 技術的進 展,光學定位傳感器在這方面受益顯著。iC-Haus 對自己生產的高分辨率iC-PT H 系列的新型增量掃描器進行優化,尤其在藍光方面。同時為該類型的單芯片編碼器的集成平臺注 冊了Encoder blue商標。  iC-PTH 系列的新型編碼器芯片將掃描優化和信號插值細分結合起來,集成在極小的可用空間:帶窗口的5x5 mm2optoQFN 封裝。通過對光學芯片的相位陣結構進行優化,僅用掃 描最小面積 1.9 mm x 3.1 mm 和一個直徑僅26mm 的碼盤就可以生成每轉 10000 個脈沖。藍光可以降低噪音,提高信號對比度,同時可以通過提升效率減少光學系統的電流消耗。  該芯片可以輸出帶零位的低抖動編碼正交信號,并通過4mA推挽式驅動器以單倍、 雙倍或四倍細分解析度進行精確的機械控制。同時,在電機換向控制中使用集成的附加三通道掃描,替換了常規的霍爾傳感器。在這里,碼盤定義換向信號,調整碼盤就可以很容 易使信號與電機的極對數相適應。  零位信號寬度和細分解析度可以簡單地通過芯片引腳進行選擇。允許輸出頻率上限至1.6MHz,這樣可以實現每轉10000脈沖、電機轉速達到約10000rpm的電機控制。可以激活模擬測試信號,以易于位置對齊和測試裝配校準。  掃描面積小和高敏感度有助于減小編碼器自身所需能耗,5V電源只需產生僅僅幾毫安的操作電流。可以有效提升LED的壽命,特別是在電機處于較高運行溫度的情況下。該iC-PTH芯片可以調節LED電流,同時對由于老化或者溫度影響造成的變化進行補償。  iC-Haus 提供帶有塑料碼盤、傳感器芯片和可插拔的藍光LED的評估套,可插拔藍光LED可用來與使用紅外光源的信號質量進行直接比較,且對其優點進行判斷。在進行系統設計時需要考慮使用較高的藍光LED的正向電壓,以及在編碼器中使用的材料的穩定性  Encoder blue正由知名的編碼器生產商進行集中測試和認證,并且有望近期至少在高解 析度產品方面替代目前的紅外 LED 和傳感器芯片。 欲了解更多信息,請登錄 www.encoderblue.com關于 iC-Haus  iC-Haus GmbH 是一家行業領先獨立的德國制造商,為客戶提供標準集成電路 (ASSP) 以及針對客戶定制的專用集成電路ASIC解決方案。30 余年來全球范圍內,iC-Haus 一直致力于工業、汽車以及醫療領域的特殊集成電路的應用開發。iC-Haus 在CMOS技術、 雙極技術以及BCD 技術方面的單元數據庫專門用于設計實現傳感器、激光/光學以及驅動器ASICs。  芯片裝配有標準的塑料封裝,或為了完整的微系統使用  iC-Haus 的板上芯片封裝(COB)技術,多芯片模塊,或搭載了傳感器且使用optoBGA 或optoQFN 的封裝。更多信息請訪問:http://www.ichauschina.com 。更多問題請詳詢:Horst Huse電話:+49 8762 2850                         網站:   http://www.ichaus.biz傳真:+49 8762 2805                         郵箱:   horst.huse@ichaus.biz 
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明星單品: iC-MB4
iC-MB4 iC-MB4 是BiSS接口主機,配合帶 BiSS 或 SSI 接口的編碼器。iC-MB4 芯片控制和編碼器通信協議,讀取的傳感器數據能從單片機/DSP讀取。寄存器通信和執行通信也集成在 5x5 mm QFN28 小封裝或 TSSOP24 封裝。iC-MB4 功能特性:和 BiSS-C, BiSS-B, SSI 和 extended SSI 協議兼容可與8個從機(編碼器)雙向 BiSS 通信,速度高達 10 Mbit/s可編程接口帶集成收發器:雙通道(TTL或CMOS),單通道(RS422或LVDS)自動補償線延遲高達64位數據每從機,高達16位CRC每從機SPI或并行接口到控制器(例如:單片機或DSP)傳感器數據讀取周期可自動觸發(AGS)或者從外部信號控制(引腳或命令)。讀取數據的CRC校驗會自動在 iC-MB4 進行,報警錯誤如果失敗。此芯片使用單個 3V 到 5V 電源,適合應用是任何系統需要讀取位置數據或調試 BiSS 編碼器,包括:多傳感器系統,旋轉或線性編碼器的控制器,馬達反饋系統,機器人,等等。  
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明星單品: iC-PV
iC-PViC-PV: 電池緩衝40位元多圈霍爾編碼器  專門為無齒輪多圈編碼器設計,iC-PV 是低功耗方案帶霍爾感測器,方便用電池供電。晶片超小封裝和經濟實惠,節約成本,低功耗 (10 µA 用 3.0V 到 5.5V 電源) 適合機械齒輪多圈編碼器的替代解決方案。 iC-PV 功能特性:高達40位元多圈數據主電源故障自動切換電池供電串列介面連接帶多圈介面器件 (例如: iC-LGC, iC-MHM, iC-MN, iC-MU)單圈資料登錄連接不帶多圈介面器件 (例如: iC-LNB, iC-LNG)錯誤報警 (配置錯誤,磁場監控,電源監控)    iC-PV 還能當低功耗電池供電平行介面3位元單圈編碼器。晶片電源電壓 3.0 至 5.5 V,操作溫度範圍 -40 ~+125 度,適合工業應用。
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iC-MHM
iC-MHMiC-MHM: 14位元BiSS/SSI磁編碼器晶片帶多圈介面iC-MHM 是絕對角度編碼器,單晶片集成:霍爾感測器,高解析度即時正弦數位轉換,串列介面,多圈介面,RS422和LVDS收發器。全部功能集成在 5x5 mm QFN28 的小封裝。iC-MHM 功能特性:14位元正弦數位轉換 (0.02度角度解析度)BiSS/SSI 通信用集成RS422收發器速度高達 10MHz模擬正余弦波 1 Vpp 差分輸出高達46位解析度 (多圈32位 + 單圈14位)錯誤報警iC-MHM 安全操作速度高達 80,000 RPM (12位解析度),帶安全功能:CRC 校驗輸出 (最多16位CRC), 操作計數,錯誤報警 (霍爾感測器錯誤,多圈同步錯誤等等)。此晶片操作電源電壓範圍 4.5 至 5.5 V,操作溫度範圍 -40 ~ +125 度。晶片配置參數可從 EEPROM 讀取或通過單片機 SPI 介面寫入。
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集成光編碼器用於BLDC 電機反饋
集成光編碼器用于BLDC 電機反饋  在工業大多數的電能損耗來自大型電機和固定速度的驅動系統。因此,能效運動控制系統應適應未來實際負載需求應用。BLDC電機滿足這一要求通過電子換向和調速控制。電機磁極繞組換向在最佳的轉子位置的是非常重要的,用于減少電損耗當使用可變轉速和負載的情況。轉子位置反饋可靠性是很重要的,對于運動控制系統的性能。它允許定子繞組精確的換相,最大限度地減少電機電損耗。通常在120°相移UVW 信號用于激活BLDC 電機驅動器的換向。不同的選項可產生UVW信號。這可以使用霍爾傳感器或開關,可以組裝在繞組中或安裝在一個小的PCB 上面;計算軟件基于反電動勢數據從定子繞組;連接在電機軸上的光學或磁編碼器;或先進的單片光學或磁編碼器芯片集成電機外殼當中。霍爾傳感器或開關廣泛用于BLDC 電機,由于其低元件成本。這種方法需要有效的算法來計算UVW,從測得的反向電動勢。同時快速微處理器或DSP 需要減少執行時間和減少額外的延遲時間。這種方法的局限,UVW信號的產生可以在快速負載變化,在低轉速和在同步操作上觀看到。硬件中檢測轉子的絕對位置被認為是最可靠的選擇。連接在BLDC 電機上的光學或磁性編碼器是有利的,當需要高精度動態定位,如果應用對成本不敏感。選擇磁/光學電機編碼 霍爾傳感器用于換向  在一個BLDC 電機使用三個分離的霍爾傳感器/開關產生UVW信號基于傳感器的安裝位置,無論是在定子繞組,或組裝在小PCB上,0°,120°和240°,位置相對轉子永磁體。在某些情況下,一個磁極環連接到軸可以用。圖1 的左邊顯示了三個霍爾傳感器/開關的機械位置,用于UVW信號的產生。UVW信號定位精度與關的轉子實際位置取決于安裝公差與配合霍爾傳感器/開關的靈敏度和穩定性。磁場變化很多,由于超溫,轉子速度和操作壽命(永磁老化),位置誤差很容易累加+ / - 3°或更多。另一種方法使用四個集成霍爾傳感器并且信號調理生成正弦/余弦信號,其中在360°轉動角度位置是連續可用的。圖1的右邊顯示了霍爾布置。一個小的永磁鐵直徑在4-6mm連接到轉軸,通過集成霍爾橋采集產生循環變化信號。傳感器裝置允許產生一個差分正弦/余弦信號,對普通的磁場是不敏感的。正弦/余弦信號然后可以通過一個正弦-數字轉換器轉換為絕對位置值。這種插補通過計算正弦值除以余弦值的反正切。它提供了轉子的絕對位置,可配置6~12位分辨率。圖 1: BLDC電機位置檢測的選擇用于換向  現代混合信號集成的研究進展,讓霍爾陣列加上所有的正弦/余弦信號調理和插值用于絕對位置,能夠在一個編碼器IC集成。代替三個分離的霍爾傳感器/開關,一個單一的5x5mm封裝可以組裝在同一個PCB上(參圖1)。該Z 信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制和運動控制系統。從絕對位置也可以產生增量ABZ信號可用于監測快速位置變化,以非常低的延遲。圖2顯示了上/下AB信號編碼,用于增量操作。當電機的方向反轉AB信號改變其相移。該Z信號標志轉子的零位置,允許從ABZ信號以簡單的方法計算電機的絕對位置,在電機控制或運動控制系統。用正弦/余弦到UVW,插值單元的換向信號可以產生兩個,四個或多個磁極電機類型。在這種情況下,每個換向信號偏移了66°相位。它可以直接控制BLDC驅動單元用于塊換向。它也可以通過電機控制器用來產生正弦波換向。一個集成的單芯片磁編碼器通常有多輸出選項,用于電機控制器或高級運動控制器。但進展遠落后于當前的需求。圖2: 通過正弦/余弦產生UVW和ABZ 提出了通過單芯片編碼器集成單芯片編碼器一體化的進展,使一個完整的“片上系統”具有多個輸出選擇用于BLDC 電機。圖3顯示了BLDC 電機反饋選項,以iC-MH8作為一個例子。在頂部的UVW 其他信號的輸出選項設置,例如絕對位置通過SSI / BiSS接口,ABZ增量和模擬正弦/余弦信號。該芯片包括一個霍爾陣列,模擬信號調理,數字正弦/余弦插值,誤差監控,自動增益控制,多編碼器的輸出格式,UVW電機換向輸出,數字配置,線驅動能力,和片內編程。霍爾橋信號調理和放大通過PGA自動增益控制來補償不同的操作條件,如溫度,電源電壓或磁場的變化由于溫度或老化。圖3: 絕對磁編碼器電機控制帶輸出選項芯片上的正弦/余弦信號放大到1 Vpp,并且通過一個差分模擬輸出驅動器,用于外部監測或獨立的插補。他們也被用于12位實時正弦數字轉換器/插補器,以一個非常低時間延遲,小于1μS。12位提供了一個小于0.1°的分辨率。一個絕對位置可讀出通過串行SSI(同步串行接口)或BiSS接口(雙向同步串行接口)的運動控制器。一個開放標準的SSI / BISS提供高速串行接口,也用于生產線配置。如果需要,集成的RS422 線路驅動器支持長電纜到電機或運動控制器。ABZ信號以2MHz的頻率更新并且延遲時間小于1μS。零位可編程256 步(114°)用于增量,192 步(118°)用于UVW接口。也很重要的是要有設置和調理模擬信號的能力。這需要一個高質量編碼器輸出信號。選擇BLDC 電機換向磁極設置,可用于各種不同的電機設備類型。可調設置存儲在編碼器芯片的RAM并且能夠編程到片內非易失性ROM 中,上電后可讀。光集成也可能  磁性編碼器芯片能夠更好的用于非常苛刻,灰塵和嚴格的環境。然而光單片編碼器芯片帶換向輸出通過光學系統集成同樣變為可能。其性能更高一些,但對比表明,兩種技術齊頭并進。圖4顯示了兩個單芯片光學編碼器帶增量和UVW輸出。這里的分辨率定義是碼盤確定的,并且使用三個光學傳感器用于產生UVW。電機的極對數定義是碼盤設計確定的。例如,四個光電二極管陣列可以提供高達20,000CPR用一個直徑33.2mm的碼盤。特殊的封裝如optoQFN符合這個光學解決方案需要。現在的混合信號集成能力可以提供可靠、高度靈活單片編碼器芯片,并且可配置磁編碼器反饋選項具有12位分辨率。這與傳統的霍爾傳感器/開關系統相比較,具有高性能集成到電機殼體。在光學編碼器帶有集成的UVW輸出選擇,也是單芯片解決方案的發展趨勢。這些趨勢支持增強性能提高電機電子換向的能量效率,通過最好的電機反饋解決方案。圖 4: 光學單芯片電機編碼器芯片帶UVW換向    
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IC-HAUS 驅動中的應用方案
IC-HAUS 驅動中的應用方案 -----------涉及到IC-HAUS電源管理iCs、編碼器iCs、24V通信電纜驅動iCsIC-HAUS驅動中的應用方案在工業和自動控制領域為客戶提供靈活的電源解決方案,而且供電系統的電壓范圍寬廣。可以應用在工業傳感器、旋轉編碼器、直線編碼器等。論文在介紹IC-HAUS的驅動方案前先簡介IC-HAUS電源管理iCs。 一:IC-HAUS電源管理iCs IC-HAUS電源管理iCs總共有6個型號,可以分為三個類型:IC-DC,IC-JJ,IC-WD系列。IC-DC在方案中作為電源芯片IC-JJ的特點如下:供電電壓VBAT范圍6 to 16.5V。在輸入電壓不穩定的情況下能夠穩定輸出一定時間---自給功能。靜態電流很小,30μA左右。兼容TTL-/CMOS輸出模式。12V/30mA三態輸出。欠壓檢測,單線串行總線,看門狗檢測功能,ESD保護。 IC-WD系列的特點如下:輸入電壓范圍8-36 VDC效率非常高的降壓變換器內部集成了開關晶體管和續流二極管通過外部電阻調節截止電流;100 kHz內部自帶集成的振蕩器兩路降壓調節輸出分別200mA/25mA輸出電流非常低的紋波;ESD保護;溫度范圍在-40 to 85°C之間SO8和DFN10兩種封裝格式在PCB布線的時候需要極少的空間二:驅動中的應用方案 如上圖所表示的是DC/DC變換器iC-DC的應用。輸入電壓的范圍是在4.5V到32V之間。VCC2給6通道增量光學編碼器iC-LTA/iC-PT供電,VCC1給3通道差分線驅動器帶集成阻抗匹配的器件iC-DL供電。這種供電方式使傳感器件和電平傳輸器件之間做到了有效的隔離。iC-DL器件的過壓和過溫報警通過TNER引腳進入iC-DL。通過這種方式將iC-DC的錯誤信息和iC-DL的欠壓和過溫監測聯系起來。NER管腳將提供兩個芯片的錯誤信息。    圖例電路利用了iC-DC本身固有的反向電極保護特性。ZD1, ZD2, D2 to D13 和 電阻 R3組成的保護電路可以防止任何形式的過壓輸出。工程師在設計這些保護電路的時候可以根據自己的經驗,沒有特定的要求。具體設計規格參照官網說明。輸入電源通過電源管理IC內部的二極管接在IC-DL的管腳VBx上供電,十分方便。  iC-LTA/iC-PT是6通道增量光學編碼器,可以應用在直流無刷電動機和工業驅動上。實測輸出波形如下所示:可以看出波形對稱性很好,波形效果十分理想。波形輸入到24V通信電纜驅動IC-DL的輸入口,IC-DL輸出通過通信電纜輸入到100米外的PLC。IC-DL的特點:6通道限流防短路推挽式的驅動3路差動通道的選擇集成了30至140歐姆的電阻;供電電壓范圍很寬在4到40V之間。200mA輸出電流;輸出飽和電壓很低;兼容TIA/EIA standard RS-422。總線輸出三態開關;轉化無延時上升斜率很高。內部施米特觸發器,下拉電阻;TTL and CMOS電平兼容;防壓高達40V。RS‐422(EIA RS‐422‐A Standard)是Apple的Macintosh計算機的串口連接標準。RS‐422使用差分信號,RS‐232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發送和接收信號,對比RS‐232,它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業環境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優點。      RS‐485(EIA‐485標準)是RS‐422的改進,因為它增加了設備的個數,從10個增加到32個,同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性,以保證足夠的信號電壓。RS‐485是RS‐422的超集,因此所有的RS‐422設備可以被RS‐485控制。RS‐485可以用超過4000英尺(1200m)的線進行串行通行。      RS485是從RS422發展起來的,采用一對差分線A和B,還有一個使能信號可以使A和B處于高阻態。      RS485標準滿足RS422規范,所以RS485驅動器可在RS422網絡中應用。RS-485 的數據最高傳輸速率為10Mbps。但是由于RS-485 常常要與PC 機的RS-232口通信,所以實際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會使RS-485 傳輸距離減小,所以往往為9600bps 左右或以下。iC-DL的封裝如下圖:IC-DL可以監控VB、VCC和芯片溫度;當出現錯誤的時候讓所有的輸出級都呈高阻狀態,然后置低NER。除此之外,還可以監測VB1, VB2 和VB3的電壓差,當絕對誤差超過0.75 V時產生報錯信號。
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採用iC-haus接口芯片把微控制器接入工業世界
採用iC-haus接口芯片把微控制器接入工業世界工業應用采用嵌入式微控制器時需要特別關注現場惡劣的噪聲環境。從供電電壓低至+1.5V或者+3.3V到24V工業界,需要仔細設計和決策專門的解決方案來達到安全和穩定的工作。下面的文章描述不同的挑戰和設計考慮以及可能的解決方案滿足最大可能的功能安全和可靠性。文章描述的內容如下:工業界 — 一個不同的世界有哪些設計挑戰電平轉換器和驅動器輸出信號安全采用分立元件還是 ASSP I/O 接口處理24V輸入信號噪聲驅動激光二極管/LED哪些地方需要省電概要1)工業界 — 一個不同的世界   自從在1970年代發明微控制器以來微控制器趨向于更多的專用衍生和更多的功能和較低的技術門檻。集成更多功能,更大存儲器以及低功耗。  對于一個給出的應用,每個人都在尋找“最佳的工作狀態”達到最低的成本,最小的空間和最小的功率消耗。為達到這些需求而采用一個新的單片機而辯論。最后的結果是微控制器的供電電壓持續降低,在某些情況下內核工作電壓低至0.8V,I/O接口電壓低至+1.5V。  然而,在工業應用領域,大多數供電和邏輯電平依舊是+24V。使用+24V供電和邏輯電平適應工業應用領域的噪聲和惡劣的工作環境。由于這個原因,優秀的電子抗干擾性需要接口耐受高電流尖脈沖、磁干擾、靜電放電等等。大多情況下微控制器和工業界的電流或者電壓是一個10倍的關系。然而,我們要解決的是安培級或者是伏特級的問題,而不是毫安級或者毫伏級的問題。這就為硬件設計者提出了一個挑戰,在兩個領域隔離和轉換信號電平。這意味著從轉換低至1.5V的單片機邏輯電平到+24V的電壓擺率在輸出或者其他方向的輸入。 使用微控制器在嵌入式應用,例如,加工控制、機器人、自動化設備等等。意味著在某種程度上仔細地設計接口,那就是可靠和考慮到安全工作。也有許多標準適用于某些方面的功能安全,例如IEC 61580和EN 60204-1。2)有哪些設計挑戰 就工業環境的本質,挑戰每個設計的是下面的這些需求:高電壓擺率隨著快速的dV/dt或者dI/dt轉換引起的輸入信號和輸出信號的交叉干擾接地回路由于系統的分布參數而改變接地電平系統或者軟件失效引起的激勵端損壞(例如,功率輸出級) 由于這些原因,在設計微控制器和+24V工業界之間的接口時下面的這幾點需要考慮:微控制器需要多高的電平轉換給輸出?微控制器需要多高的電平適應于其輸入?針對硬件或者軟件的故障如何保護輸出級?數字的和/或模擬的連接需要什么樣的濾波?工業I/O和微控制器之間需要強制的隔離?多大的功率上升和下降行為需要被考慮?哪些失效需要被監控以及如何監控?哪些地方是高功率消耗引起的熱斑(例如,高電流或者高頻率)?3)電平轉換器和驅動器輸出信號安全  最初考慮的是著眼于微控制器的I/O端口邏輯電平,然后是明確輸出需求的電流和電壓。例如,驅動高電流阻性負載,像加熱器或者執行機構,需要一個邏輯電平轉換和功率三極管或者FET功率前置-驅動器。圖1所示的例子是轉換+1.8V供電的微控制器邏輯電平,通過前置-驅動器,控制一個高電流+24V FET。來自微控制器的邏輯電平,這個FET支持的切換負載電流大于10安培。圖1所示的另一個選擇是連接一個高邊開關,例如,iC-DP,在36V供電時支持負載電流高達200毫安。  因為在上電時微控制器的I/O端口已經連接到輸入,需要特別預防這里。為了避免在這個期間浮動的輸入電平轉換,如果下拉電阻沒有集成到器件內部,需要連接附加的下拉電阻,例如iC-MFL。另一個需要考慮的地方是輸出端短路的失效-安全保護監測,監控VCC電壓、地和芯片溫度。在實際應用中,輸出端失效將會引起損壞或者會傷害到使用者,或者損壞昂貴的設備,或許需要一個FMEA分析來滿足安全標準(例如,IEC 61508)。   這需要在整個系統級、板級和芯片級做FMEA分析。對于此電平轉換和前置-驅動器iC-MFL,FMEA安全電路已經集成到芯片級,而且包括第二個地連接和特殊的地監控。圖1:電平轉換和驅動功率輸出  iC-MFL的輸出級設計成最大輸出電壓為+18V。其他類型的驅動器,像iC-MFN,可用來處理不同的輸出電平并且可以直接供電從+24V到高達+40V。在許多嵌入式系統一些數量的輸入和輸出由于不同的機器配置可以不同以及在I/O端口需要一些不同的組合。4)采用分立元件還是ASSP I/O 接口 ?I/O模塊化可以使用不同的方法。一個解決方案是板級方案,選擇一個不同的I/O模塊或者PCB,或者是在嵌入式電路板的芯片級方案。也可能是一個FPGA和分立元件組成的輸入或輸出級,或者使用專用的ASSP。這些特別的設計適用于靈活的和可編程的I/O配置。在嵌入式機械或者機器人應用,傳感器和執行機構有時候僅數米遠。如果它們采用屏蔽雙絞線電纜連接并且在中間接地,那么接地回路通常對輸入/輸出系統不會有問題。因此,在很多情況下,電隔離(例如,通過光電耦合器電流隔離)是不需要的。這對于系統設計者而言可以減少I/O端口的成本以及增加靈活性。另一方面,數字I/O采用+24V邏輯電平被用來連接開關、數字傳感器和在輸入側通過長電纜進行低速串行通信。+24輸出也被用于驅動執行機構,例如,繼電器、電磁線圈、電機和指示器,例如,燈泡或者LED。對于高速串行傳輸(例如,SSI/BiSS編碼器)在一個高噪聲的環境,RS422也通常被使用橫跨超過100米的距離。為了達到可靠的工作,使用失效監控,在輸入端特別考慮如下:I/O端口可能沒有可靠連接檢測開路、短路和連接斷開提供濾波器抑制噪聲、交叉干擾、尖峰或者機械開關跳動檢測已定義的信號傳輸用來產生微控制器中斷 在設計輸出端時考慮同樣重要,例如:耐受和檢測短路,檢測超溫限制燈具產生的浪涌電流以及抑制線圈關閉時產生的電壓尖峰支持脈沖輸出用于閃爍或功率降低  切換負載使用高邊開關輸出是較多的首選方法,斷開或者接地負載不能影響+24V系統供電。監控不同的電路失效,例如,+24V供電不足,一些丟失地線連接以及由驅動器超溫引起的臨界狀態的應用。具有回讀輸出端口的選項,或者測量I/O端口的模擬電平用于更詳細的診斷對達到功能安全是非常有用的。測量I/O接口模擬電平的方法也用于+24V輸入端口。  許多數字功能需要組合的I/O端口,可以在FPGA里做這些端口,然而模擬功能、+24 I/O 以及錯誤監控需要使用分立元件實現。一個專用的、可編程的以及組合的+24V I/O解決方案如圖2所示。這個例子是基于ASSP,它通過一個并行總線或者串行SPI接口連接到微控制器,幾乎各種微控制器都可以這樣使用。  在此應用中電源和地是需要隔離的,iC-JX可以通用一個隔離的(例如使用光電耦合器)SPI接口連接。由于使用了很少的隔離線纜,這是一個明顯的成本優勢方案。這種情況下,iC-JX的邏輯供電可以從+24V通過一個電壓穩壓器提供+3.3V,和+5V給數字和模擬電路。  iC-JX也提供所有I/O端口的回讀功能。另外,集成的16通道10位A/D轉換器支持端口觀察,例如,觀察+24V模擬輸入用于診斷功能。  這些特性提供了功能安全、提高了在線維護能力以及失效檢測。當采用一個遙控診斷功能時這會顯著的減少維護成本。 對于電壓調整器,iC-WD或者iC-DC可以產生兩個輸出電壓用于小的I/O子系統,它結合了一個開關模式的DC/DC轉換器和一個 線性穩壓器。這會減小模擬電路的紋波以及保持電源自身的低消耗。圖2:緊湊的通用I/O和光學隔離  對于這個電路另外的安全性,如果一個錯誤狀態在微控制器內部產生,一個外部看門狗電路也可以監控微控制器是否有效以及禁用所有的16個I/O端口。 5)處理24V輸入信號噪聲   在輸入信號噪聲方面,數字的或者模擬的濾波器需要避免被微控制器錯誤的讀入,對于數字信號,iC-JX輸入具有內建遲滯數字濾波選項。模擬輸入信號可以通過分立元件的濾波器或者內建的比較強濾波功能,例如,保持、遲滯或者RC電路。圖3所示的是iC-HC的保持功能影響輸入噪聲。圖3:集成濾波的輸入噪聲濾波功能  此方案是典型的快速測量輸入電平以及內建電平轉換用于微控制器的輸入。此供電電壓和差分輸入電壓可以高達36V。省電方面,iC-HC比較器可以通過使能輸入切換到“零功耗”模式。6)驅動激光二極管和LED   使用一個微控制器驅動激光二極管需要恒流源和尖峰釋放開關來避免損壞昂貴的激光二極管。取決于電流和切換頻率,不同標準的驅動器允許平均電流控制(ACC)和/或平均功率控制(APC)。圖4所示的是集成解決方案iC-HG驅動三只激光二極管(或者LED陣列)帶可調節的恒流功能。圖4:驅動RGB激光二極管/LED高達1安培的電流  上圖是典型的RGB光源應用于不同的工業領域,例如激光模塊。當設計和測試快速激光驅動電路時,請看另一篇文章,“設計和測試快速激光驅動器電路”。7)哪些地方需要省電   由于工業信號是高電壓擺率,功率消耗就成為一個值得注意的問題。對于輸出級,當轉換頻率升高時將會有超溫現象出現。一個典型的例子是24V線驅動用于串行通信子系統。一個可選的方案處理這個問題的方法是存儲沒有終端匹配的傳輸線反射的信號能量在電容里,并且使用這個能量為驅動器供電。這個方法可以節省高達50%的器件消耗能量,在轉換頻率小于250KHz時可以減少3個瓦特的器件熱消耗。因此,增加了穩定性和減少了散熱需求。iC-HX是一個24V線驅動器支持這個功能,僅需要增加一個電容。測試結果顯在傳輸速率為200KHz時,iC-HX的外殼溫度從100℃減小到70℃。 減小線驅動的功耗是一個省電的例子。因此,所有運行在高頻率和高電流的系統的各個部分都應該仔細評估它們潛在的功率消耗(例如,使用低RDSONFET)。   驅動繼電器和電磁閥也是一個特殊的情況,由于繼電器(電磁閥)的吸合或者釋放狀態的特性決定的。考慮到這個特性,驅動繼電器和電磁閥需要仔細考慮電路的級別。吸合時間在10-100毫秒時吸合電流需要大于兩倍的工作電流,取決于繼電器或者電磁閥的特性。超過吸合時間后電流可以減少至少三分之一。這可以采用分立元件的RC網絡或者脈寬調制電路(PWM)。當可靠吸合之后改變占空比或者改變頻率。PWM通過內建FPGA電路序列或者使用一個微控制器PWM輸出或者使用一個ASSP器件解決這個需求。圖5:集成驅動繼電器(電磁閥)省電解決方案  如果也需要繼電器或者電磁閥的監控功能,可以采用一個專用的ASSP。圖5所示的iC-GE電路用于驅動繼電器或者電磁閥,直接從36V供電,兼容典型的TTL輸入電平。此器件僅需外接RHOLD和RACT電阻定義所需要的吸合和保持電流。這個集成解決方案實際上改變電流允許相同的繼電器可以使用在不同供電電壓的應用。為了達到這點,不同供電電壓時,PWM輸出的占空比和頻率需要校準。  這個專用的ASSP解決方案也集成了箝位二極管和維修指示。它也監控線圈的電流、欠壓和超溫。如果一個錯誤發生,LED燈會閃爍,也可以用來作為一個中斷給微控制器。如上所述,當驅動繼電器和電磁閥時,減小器件的功率消耗是可能的。通過特別的考慮,一個板級的解決方案可在項目設計階段解決。7)概要  如本文所述,當連接微控制器到工業界時有許多特殊的設計考慮。廣泛的使用微控制器作為嵌入式解決方案用于汽車、電機以及機械控制系統。當要連接到工業界時設計者需要考慮特殊的需求。幸好,iC-Haus專用的工業ASSP解決方案解決了這些負擔,以及解決了設計者在板級的許多問題。     創意電子(www.weltronics.com)
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設計和測試快速激光驅動器電路
設計和測試快速激光驅動器電路自從 Theodore H Maiman 在50年前發明激光器以來,激光被廣泛應用到各種技術領域,例如通信,工業生產,以及傳感器和測量設備。通信行業關注的是高達GHz范圍的高速傳輸頻率,工業生產主要關注的目標通常是高速的超短范圍內納秒級脈沖光功率。在傳感器和測量應用的挑戰是設計快速激光驅動器電路,這是一個非常苛求的任務。下面的文章描述激光驅動器電路設計,PCB布局和光學測量注意事項,以及設計一個脈沖寬度短到2.5ns的理想解決方案。目錄集成激光驅動器解決方案快速激光驅動器電路設計注意事項布局要求測量激光脈沖4.1)從示波器到光學儀器4.2)從計算機到光學USB儀器設計檢查概要1)集成激光驅動器解決方案 傳統的激光二極管驅動器電路通常使用分立元件,用于低成本和低性能應用。集成激光驅動器的優勢解決方案是: 1.       提高輸出功率的穩定性(1%或優于1%)2.       減少板子空間(減少80%以上)3.       錯誤監控4.       較好的動態性能5.       提高了可靠性/MTBF 用于快速開關,集成驅動器是必須的,因為減小PCB分布電感和分布電容是允許更快速信號變化的主要方法。2)快速激光驅動器電路設計注意事項   用于測量和傳感器領域的激光器光源通常是半導體二極管激光器,光學輸出功率從幾個微瓦到幾百個毫瓦。集成電路可方便地和安全地控制半導體激光二極管,光譜覆蓋整個可見光到紅外光范圍。最新研發的全類型集成激光驅動器解決方案支持開關頻率高達155 MHz以及激光驅動電流高達300 mA。圖1所示的原理圖是iC-NZN的應用電路。它的工作電壓從3.3V 到5.5V,可以去驅動N,M和P型激光二極管帶或者不帶監控二極管。 圖1.全類型激光二極管驅動器電路  支持兩種工作模式,自動功率控制(APC)和自動電流控制(ACC)。光學輸出功率各自不同。驅動電流由電阻PMD/RMD設置,如上面圖1所示。如果采用一個合適的PCB布局,脈沖寬度可以達到小于3.5ns以及脈沖上升沿和下降沿時長(tr/tf)為1.5ns(最大)。在這種情況下應該采用LVDS輸入信號替代TTL電平來減少EMI。iC-NZN的特點是提供了一個低邊輸出(專門為N型激光二極管優化),iC-NZP的特點是提供了一個高邊輸出(專門為P型激光二極管優化)。為了保護激光二極管,特別是在APC模式,通過管腳VDDA的最大驅動電流可以由電阻RSI來限制。  對于更高功率的激光脈沖,例如電流開關iC-HG,提供一個集成的解決方案。它的特點是可提供6個帶尖峰釋放的電流開關,每個開關切換電流為500mA,而且這些開關可以并聯起來達到3A DC 電流。脈沖寬度可以低至2.5ns,峰值電流可達9A。最大開關頻率200MHz,上升和下降沿時長1ns(最大)。最大占空比取決功率耗散和iC-HG的散熱情況。 圖2:CW驅動電流可達3A,脈沖驅動可達9A的激光驅動電路   輸入EN1和EN2使用LVDS模式帶100歐姆線路終端電阻。激光器電源電壓(最大12V)由兩個低ESR鉭電容緩沖以及使用兩個瓷片電容進行RF濾波。iC-HG監控LVDS輸入信號,如果幅度低于50%,會在管腳NER產生一個錯誤信號,電源電壓和芯片溫度也被監控。當欠壓和過載時NER信號也會產生。每個通道的電流可以通過控制CIx的電壓來設置。它也可以被用來做模擬調制。最大調制頻率典型值2MHz,CIx的輸入電容是調制頻率的限制因素。3)布局要求對于非常短的激光脈沖,激光驅動模塊的布局是挑剔的。由于快速開關的瞬態過程,當設計PCB時傳輸線路低電感是要記住的關鍵。圖3a所示的是一個iC-HG高速驅動模塊的例子,圖3b是布局的細節。推薦布局指導方針如下:保持從驅動器到激光二極管的線路和回路盡可能的短(每個mm都要考慮);放置儲能/旁路電容在驅動器IC電源和地線附近;選擇低ESR電容(使用兩個電容并聯來減小ESR);分開AGNDx和GND大面積鋪地(僅在公共地處連接);確保DFN封裝的散熱PAD的散熱圖3a:高速激光驅動模塊 圖3b:高速激光驅動模塊布局 4)測量激光脈沖 4.1)從示波器到光學儀器為了激光二極管脈沖的光學測量,需要一臺高速示波器和一個附加的高速光電接收器。此光電接收器應該在相關頻譜范圍具有高靈敏度以及盡可能寬的帶寬,從DC到GHz范圍,以便激光脈沖的幅度和快速脈沖的邊沿同樣可以被測量。圖4a所示的是一個典型的光學測量裝置,使用iC212高速光電接收器作為示波器的一個適配器。在這個例子里,使用一個大約12.5ns的40mW的激光脈沖發生器,脈沖幅度和上升沿時長可以使用示波器測量。示波器需要一個合適的高模擬帶寬,工作頻率也要到GHz范圍。圖4b所示的是光學脈沖響應。為了知道準確的激光脈沖形狀,僅有一個電氣測量激光電流是不夠的。由于激光二極管的特性,測量結果會大不同。因此必須測量激光二極管的光學輸出。這通常是通過使用一個擴展常規實驗室設備用于電子測量。可能的方法有擴展常規示波器或者試驗用PC來測量光學的激光光束。圖4a:激光二極管模塊測量裝置                圖4b:光電接收器iC212的激光脈沖使用iC212光電接收器                            測量結果 iC212是專門為此類測量而設計的光電接收器,它是第一個此類裝置,結合一個帶寬范圍從直流到1.4 GHz的寬光譜靈敏度,波長從320至1000nm(見圖5)。它可以測量連續波和脈沖光功率,瞬態低至280ps。圖5:光電接收器頻譜靈敏度  iC212在波長760nm處的增益因數是1.625V/mW。這允許光學功率測量低至子毫瓦范圍。激光脈沖的上升沿和下降沿時長可以直接從示波器讀出。然后光學功率可以由測量得到的幅度除以相關波長的靈敏度得出。圖6:測量功率圖6所示的示波器測量波長為635nm。靈敏度由圖5得出,在635nm處,S=1.34V/mW。光學功率有下面的式子計算,其中,U是從示波器讀出的幅度。Popt(iC212) = U / S = 0.803 V / 1.34 V/mW = 0.60 mW除了激光二極管和激光模塊的光學測量,IC212也可用來測量玻璃纖維傳輸線,光學傳輸時間,照度或者激光系統的光學觸發或者錯誤檢測測試。4.2)從計算機到USB光學儀器  另一個選擇是iC227數字示波器,通過USB連接到實驗計算機。它是一個非常快速和精確的雙通道8GHz順序采樣示波器,基于微控制器和高速ECL差分電路。微控制器經過隔離的全速USB接口通信,全速速率12 Mbits/s。順序工作范圍是由在觸發和采樣電路之間插入增量時延完成。ADC轉換隨著一個觸發事件開始以10皮秒增量采樣。圖7所示的是iC227配置成 4 GHz雙通道示波器的功能原理。連接到iC212的被測部件來構成一個完整的光學計算機儀器。iC227主要特性如下:8 GHz帶寬觸發輸入帶寬2 GHz時基范圍25ps到100us垂直12位分辨率時基精度1.5%FS+/-10ps垂直精度隨著CH1/CH2輸入 3%FS最小觸發頻率10KHz垂直刻度10到1000 mV最大輸入采樣電壓2Vpp,觸發輸入4Vpp圖7:USB示波器功能原理 由采樣原理可知,IC227僅采用重復信號工作。然后,需要一個數字脈沖發生器來完成測試裝置。圖8所示的是iC149脈沖發生器。它產生脈沖寬度從1到64ns,步長增量0.25ns。固定頻率1MHz以及提供LVDS和TTL輸出。管腳連接兼容iC-HG和iC-NZN/NZP評估板。圖8:脈沖發生器管腳連接適用iC-HG/NZN/NZP評估板脈沖寬度可由兩位二進制碼旋轉開關設置。舉個例子說明,一個完整的測試裝置如圖9所示。  它由一個光學測試臺組成,包括iC-NZN評估板和脈沖發生器iC149。接收器方iC212光電接收被用來和iC227一起工作,iC227帶寬設置為8GHz,iC212光電接收器直接連接到通道1。”Input via Trigger“復選框必須保持未選。圖9:光學測量采用計算機USB光學儀器iC212光電接收器輸出直接連接到”SAMPLER IN1“ ”Input via Trigger“復選框必須保持未選。5)設計檢查對于高速激光驅動器設計,推薦注重考慮以下項目:PCB板布局見以上第3項示波器帶寬要充分考慮快速躍遷和過沖iC-HG在LDKx的過沖輸出不應該超過最大值12ViC-NZN在LDK的過沖輸出不應該超過15V,正常值為12V6)概要新一代基于iC-HG的激光驅動器電路能夠產生高功率激光脈沖,脈寬低于3.5ns。為了在相關應用中能精確達到這個目標,需要優化PCB設計來減小分布電感。需要專用工具來測量光學輸出的上升沿和下降沿時長。光電接收器iC212,脈沖發生器iC149和數字USB示波器iC227是這些測量設備新的選擇。  
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採用單芯片編碼器提高運\\\\\\\\\\\\\\\動控制應用的性能
采用單芯片編碼器提高運動控制應用的性能     典型的標準封裝編碼器是許多運動控制應用的反饋設備,但是提供給最終用戶的許多配置是有限制的。一個替代和面向應用的方法是利用更高集成度的和智能化的傳感器技術基于一個單芯片的編碼器設計。這些提供了一個高度靈活的和可配置的選擇,對于那些需要能夠微調編碼器輸出而提高總體系統性能。 下面的白皮書描述了采用單芯片編碼器方案提高運動控制系統的性能。目錄:1) 提高運動控制應用的性能       P.32) 單芯片編碼器設計方法         P.43) 單芯片編碼器的類型和選項      P.64) 單芯片編碼器提高性能的特性     P.85) 摘要               P.131)   提高運動控制應用的性能 在運動控制應用中,可提高運動反饋回路的性能來增強系統性能。旋轉和線性編碼器提供這個反饋來實時報告速度和位置。 例如,可以由下面的方式提高系統的運動控制性能:* 提高定位精度* 較高的運行速度* 提高系統效率* 提高可靠性和可重復性例如,可以由下面的方法實現這樣的性能指標:*系統和部件裝配校準*實時配置調整*減少機械公差*添加機械定位調整*預防性維修調整  雖然執行很多上面這些方法來提高系統的性能是可取的,但對于新的設計或者現有的設計不總是有可能的。而且,實現這些改變會影響系統設計的復雜性,可制造性,外形尺寸,成本和上市時間。然而,提高運動控制的反饋有助于提高系運動系統的性能,讓我們詳述一個編碼器設計,可以減少這些因素或者完全消除它們2)單芯片編碼器設計方法  考慮圖1的標準電機配置。這是一個標準封裝編碼器被裝到一個無刷直流電機來提供運動控制應用的位置反饋。一旦此電機配置被連接到驅動應用系統,會有機械和電子的調節局限。大部分情況下,這是可完全接受的,但是對那些需求較高性能的系統,必須要求更多的編碼器配置控制來滿足設計目標。圖1:BLDC直流無刷電機連接獨立封裝編碼器 注意:Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出  現在來介紹另一種單芯片編碼器解決方案如圖2所示。使用這個設計方法,一顆編碼器芯片,使用一個現成的外殼解決方案。由于這個高集成度單芯片編碼器芯片,只需要這個芯片本身再加上幾個分立元件便達到所有的要求。此外,參考電路板設計和布局通常可從編碼器IC制造商處得到。 如圖2所示,獨立封裝編碼器方案被單芯片編碼器設計取代,這個例子是一個iC-MH磁編碼器IC。采用此類型設計可通過一個數字接口來調整編碼器的配置。 圖2:直流無刷電機連接基于單芯片設計的編碼器 注意::Comm 是換向信號,ABZ是增量輸出信號,ABS是絕對位置輸出Sin/Cos是模擬正弦和余弦輸出,Config是編碼器配置   如圖中所示,編碼器芯片感知電機軸旋轉的方法是通過一個徑向磁化的圓柱狀磁鐵。此磁鐵安裝到貫通的電機軸,允許直接檢測電機的位置和速度。采用單芯片編碼器設計有可能提供增量輸出,正弦/余弦模擬輸出[4],以及為配置和絕對位置數據讀出的數字串行接口。 3)單芯片編碼器的類型和選項   磁編碼器和光學編碼器如圖3所示。正確選擇其中之一會嚴重影響系統的性能。例如,選用磁編碼器可以更好的適應惡劣環境,以及裝配較簡單,通常它的分辨率和精度低于可比的光學編碼器。考慮圖4的單芯片編碼器選型指南。通過比較每個編碼器IC的多個特性,這將有助于為應用找到最佳的解決方案。圖3:單芯片磁編碼器IC與磁鐵以及單芯片光學編碼器IC與LED和碼盤圖4:單芯片編碼器選型指南輸出格式如圖5所示,單芯片編碼器如IC-LNG提供不同的輸出格式并有很多是可以同時使用的圖5:iC-LNG光學絕對編碼器IC展示許多可用的編碼器輸出格式   對于某些編碼器器件,例如iC-MH8,有一個源碼開放的串行接口BiSS,它允許高速串行接口讀取配置和絕對位置。有關更多的BiSS信息在BiSS的網站上可以找到。[1]4)單芯片編碼器提高性能的特性   如圖7所示,其中一些特性包括模擬信號調理,數字正弦/余弦細分,錯誤監視,自動增益控制,多種編碼器輸出格式,BLDC電機換向信號輸出,數字配置,線驅動能力以及在系統編程性。圖7:iC-MH8磁編碼器IC方框圖      這些配置可以通過串行接口編程,很多編碼器IC提供一個計算機圖形用戶界面工具允許簡單和實時的交互編程此器件。一個計算機適配器用來做電路板上的編碼器IC的接口,然后這個適配器通過USB連接到計算機。這個計算機圖形用戶界面如圖8所示。     選擇BLDC電機換向極性設置允許此編碼器設備適用于各種BLDC電機。所有的這些可調節設置存儲到編碼器芯片內部RAM,也可編程到片上非易失性PROM,允許這些設置在上電時讀取使用。圖8:iC-MH磁編碼器計算機配置圖形用戶界面   除了可配置特性之外,讓我們考慮以下這些會有助于提高運動控制應用的系統性能特性。 分辨率 回顧圖1和圖2所示的設計,如果這個編碼器輸出是100 CPR(每旋轉正交循環次數)或者400正交沿,將其改變到一個較高的值如1000 CPR 或者4000正交沿,分辨率增加10倍。運動控制系統的角度分辨率從0.9度每旋轉提高到0.09度每旋轉。有一點需要注意的是運動控制器處理帶寬和響應時間[3]。當10倍以上的脈沖加到控制器或者嵌入式微處理器,硬件和軟件設計必須保證在中斷和數據處理能響應這個增長。 在很多情況下,調節分辨率需要置換編碼器器件本身,然而,沒有幾個可選的磁和光學編碼器可以用數字方式調節分辨率而無需改變編碼器IC或者源磁鐵/碼盤。例如,iC-LNB光學編碼器IC內建一個FlexCount模塊,這個模塊允許改變分辨率到任何要求的CPR,從1至65,536 CPR無需改變自身的碼盤。 外形尺寸   單芯片編碼器提供了一個非常小的外形尺寸。小的封裝尺寸允許編碼器的電路板非常緊湊,可以在狹小的空間使用。這就可能允許一個編碼器解決方案使用到之前一個不能使用到的地方。 編碼器傳感器輸入   編碼器輸入的好壞決定它的輸出,一個提高性能的簡單方法是改善編碼器的輸入來實現。對于磁編碼器IC,這個可能是選擇更高質量的某種形式的磁鐵,減小磁鐵到編碼器芯片之間的氣隙以及優化機械同心度設計。對于光學編碼器IC,這可能是選擇更高質量的某種形式的LED,同樣的也要減小氣隙和優化機械設計。通過這樣做來提高編碼器反饋來提高控制系統性能。 精度校準   雖然機械調整是一個可選方法之外,利用單芯片編碼器通過一個串行接口配置它的內部參數提供了一個更為精確的編碼器校準方案。  如圖9所示,SinCosYzer是一個數據采集系統。通過輸入編碼器的正弦和余弦信號,許多不同的測量值被顯示用來幫助校準。李育莎曲線,誤差曲線以及以位和度表示的精度。由于這些設置是實時顯示的,可無休止的調整,只需要通過編碼器芯片計算機圖形用戶界面來完成,如圖8所示,通過內部信號幅度調理,偏置調理乃至相位調理編碼器的正弦和余弦信號的方法改變編碼器的內部配置。 圖9:SinCosYzer 編碼器校準工具 編碼器信號位置調整   調整編碼器的零位信號提供另一種提高系統性能的方法。如圖10所示,iC-MH磁編碼器的索引或Z位置可以數字化的在1.4度的步長內調整。U脈沖的電機換向零位置或者上升沿也可以在1.4度的步長內調整。這提供了一個在應用中靈活定義原位置的方法。不像霍爾傳感器感知BLDC電機磁極的位置是在一個固定的地方,單芯片編碼器可以產生這些電機換向信號然后允許微調它們來增強驅動電機自身的性能。圖10:iC-MH ABZ和BLDC UVW電機換向信號 5)摘要 和標準封型編碼器相比,單芯片編碼器IC提供了一個高度靈活和高度可配置的編碼器方案。此外,基于單芯片編碼器設計,具備了通過一個數字接口調節編碼器配置的能力。通過進一步增強運動控制反饋來提高整個系統的性能。   
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絕對值編碼器設計:是選磁編碼器還是光學編碼器?
絕對值編碼器設計:是選磁編碼器還是光學編碼器  磁位置編碼器的角度分辨率和精確度與徑向的磁鐵掃描霍爾傳感器的中心有關,受限于可行的插補細分深度和有效的磁場質量。通過每旋轉掃描多個正弦周期,光學位置編碼器具有更高的分辨率。如果使用磁碼盤,這種方法也適用于磁編碼器系統,但是哪個系統更好?  本文描述磁和光學單芯片編碼器的關鍵參數,權衡兩種解決方案和比較兩種編碼器的性能來達到選擇設計方案的目的。                   目錄介紹兩種傳感器,兩種系統線性應用比較兩種旋轉編碼器應用系統4.1)裝配公差和補償特性4.2)可能的誤差來源5.結論:哪個更好?                                           1)介紹   如今的絕對位置傳感器的制造需求與測量精度以及尺寸大小均和成本有關,而且往往及其多樣化。好的選擇是找到僅有的一個恰當的系統解決方案來適應手頭的任務。所要解決的問題是耗時的,由于不僅是傳感器的機械結構,而且每個沒有體現在元件規格書里的的參數也要考慮進來。另外,開發集成傳感器芯片必須基于一個給定的測量裝置,或者提供合適可能的匹配。  光學掃描器通常使用單獨封裝,方便對光電二極管陣列進行幾何修改。然而,對于磁的霍爾編碼器不具有可比的有效選項,為此不得不提供一個合適的傳感器陣列在芯片內部,或者采用其他方法,由芯片布局決定磁鐵的指標。小的外形尺寸和最佳性能通常是這兩種解決方案都具有挑戰性的設計目標。本文比較一個16管腳DFN封裝的18位磁單芯片霍爾編碼器iC-MU和一個optoQFN封裝的18位光學編碼器iC-LNB。2)兩種傳感器兩種系統  多通道光電子掃描器iC-LNB捕獲絕對位置數據用于線性位移測量系統或者旋轉編碼器(圖1)。同步掃描一個10位二進制碼,附加一個模擬的信號軌道用來評估實時的插補細分,使用一個小的編碼量來達到高的角度分辨率。期望得到的絕對值位置和增量位置分辨率使用內部的算法得出,提供1至65536范圍內任意脈沖數量的分辨率供選擇。     圖1.光掃描器iC-LNB  編碼窗口寬度僅5.2mm,支持使用較小的碼盤或者較大直徑的空心軸。伴隨著節能的iC-SN85 LED來擔當一個緊湊的光源和iC-LNB的監視器,以及控制照度的級別。關鍵的邏輯處理也由iC-LNB內部執行,而更復雜的任務也可由一個外部的微控制器執行。  偏置和幅度補償功能已被集成到芯片內部,用于修正模擬軌道信號,這些信號也由差分的1024個周期的正弦和余弦信號通過四個輸出端口輸出。由信號矯正電路來降低插補細分的誤差并獲得更高的位置數據精度。 位置數據輸出可以是并行的(高達16位)或者是串行的(使用一個快速移位寄存器)。時鐘速率高達16MHz,允許循環讀出時間小于1us。3.3V兼容的SPI端口支持器件設置和用來掃描位置數據以及診斷消息(例如,當奇偶校驗位打開,存儲監視標志一個錯誤)。最大允許速度依賴于分辨率;當17位分辨率時可獲得6000rpm(表1)。                    表1:元件電氣參數  霍爾編碼器iC-MU是一個全集成的單芯片器件,是理想的磁碼盤、磁鼓和磁帶掃描器,適用于運控控制應用。典型應用包括絕對位置編碼器、增量編碼器以及用于無刷電機的換向編碼器(圖2)。位置數據被實時捕獲并由串行接口(BiSS,SSI以及SPI)和一個增量接口兩同時輸出。任意數量的分辨率脈沖數可以使用內部"FlexCount"算法再次選擇。   采用合適的磁測量機構,設有兩個增量軌道,極寬大約1.28mm,每個磁極對是差分的,由另一個磁極對交叉穿過測量間隔。兩個同步的正弦-數字轉換器用來數字化霍爾傳感器信號;這些矢量跟蹤轉換器跟蹤磁場變化率達8 MSPS,無延時。   由兩個軌道信號之間的相位差,集成的掩膜-已編程信號處理器計算絕對位置基于游標原理。使用這個原理,運動控制不必要獲得絕對位置。在旋轉應用中,可獲得一個19位的分辨率(相當于2.5弧度秒),當使用磁碼盤 MU2S 30-32時,以及支持的速度高達12000 rpm。   通過安排磁極對在一個高分子磁鐵上面的一個扁平碼盤,可建立一個緊湊的系統,它可以理想的直接安裝到電機的法蘭上。掃描工作距離于芯片平面大約0.4mm。   設計于一個16腳的DFN封裝,iC-MU集成全部的所需編碼器功能在最小可能的空間,僅5*5mm。偏心或者偏軸放置支持空心軸用于高分辨率的磁絕對值編碼器。適合的磁碼盤直徑為30mm,支持空心軸直徑高達10mm。                                  圖2:磁傳感器芯片和磁碼盤   通過設置細分因數從1到65536,數字角度位置可以從ABZ接口以任何分辨率輸出。由于內部的“FlexCount”算法,整個范圍的分辨率參數僅使用一只傳感器就可以滿足。這允許一個設計適合各種編碼器分辨率而無需改變測量裝置。完全安裝好編碼器的位置以后也可以編程,以最少的時間交付上市。而且,零位置信號也可以在裝配好以后再編程。   iC-MU可以產生3個換向信號(U、V和W)來運轉無刷直流電機,適合電機極對從1到16。由于精確的電子調節UVW信號可以按照轉子的位置改變而提供了一個關鍵的優勢,使得不再需要通常使用的霍爾開關系統。   由于可以支持空心軸應用,可以使用一個兼容的裝配替換旋轉變壓器。作為整個系統的一部分,這將導致一個更便宜的旋轉變壓器替換解決方案產生,隨著它的高分辨率,支持更精確的電機控制。   SPI接口可以直接連接到一個微控制器,BiSS用于雙向通信和CRC校驗的超長距離通信,以及SSI是一個標準的編碼器接口。所有的接口允許時鐘頻率高達10MHz。   關于數據輸入,iC-MU在BiSS協議下支持多從機應用鏈式連接,使用同步時鐘連接多個編碼器來捕獲數據。如果一個相關編碼器已連接并設置和開始工作,絕對精度有可能在最高速度時記錄、評估以及由一個微控制器校正,這個微控制器可允許在系統中擔當一個交互的輸出接口。3)線性應用  iC-MU支持40,80,或者160mm距離的絕對線性測量,位置分辨率大約160nm。兩個器件可被級聯用于更大的距離,使得最大可能的測量絕對距離延長,由2到64的一個因數確定(圖3)。這使得絕對距離測量系統可以達到數米,測量速度高達16m/s。                      圖3:元件級聯用于線性測量系統和大空心軸應用   例如,決定圖3的多圈設計絕對位置測量來自于中間軌道的1024個循環和上面軌道的1023個循環。相位差由橫跨整個2.6米的測量長度決定。下面的這顆iC-MU(1)在中間軌道的1024個循環和下面軌道的992個循環之間計算相位差。此裝置因此重復產生32次位置數據,橫跨整個測量長度。 多圈數據來自于iC-MU(2),用來區分這32個段。   此外,級聯兩個iC-MU霍爾編碼器,其他多圈傳感器(齒輪箱)也可以用來提供它的多圈數據給iC-MU。一旦供給電源,多圈數據自動讀取,并且在計量模式期間周期性檢查。4)比較兩種旋轉編碼器應用系統   兩種編碼器的傳感器結構已經確定,支持小尺寸和成本敏感的產品而沒有犧牲任何測量精度(圖4)。盡管這兩種器件采用不同的電路設計方法,它們同享類似的性能特性(表1);支持任意可編程脈沖數的實時高絕對值和增量信號分辨率。 圖4:裝配原理和尺寸比較  當選擇基本的系統布局時其他決定因素也必須考慮進去,例如應用領域和測量精度要求。表2比較了主要的傳感器規格參數。 表2:光和磁傳感器的特征比較  隨著完美的電子處理測量系統,磁碼盤的磁極間距誤差是絕對測量誤差的顯現來源。例如,一個典型的磁精度是15um,而光學碼盤的線精度是300nm,差別是顯而易見的。借助于掃描半徑(表3),這個值可以被轉換成角度誤差;在理論上,磁編碼器系統大約為0.07°(252弧度秒)以及光編碼器系統大約為0.0018°(6.4弧度秒)。光學系統其它的主要誤差來源總計為0.011°(40弧度秒)。   用戶選擇一個特定的系統主要依據這個系統的優點和缺點。例如,磁編碼器系統具有多種優勢的環境免疫力,諸如,灰塵、油污以及水汽。它也允許一個寬的工作距離,允許軸向間隙和安裝公差較大而容易裝配。由于磁編碼器系統無需LED和光學器件,一個扁平的編碼器設計成為可能,1Ω時產生的信號電壓為200mV。   對于磁傳感器,磁場分量垂直于芯片是有益的。霍爾效應直接提供一個典型的mV級電壓,依賴于磁場強度分量Z。由于單個霍爾元件僅能感知到磁鐵的距離,而采用多個霍爾元件在不同位置記錄磁場的Z分量以便角度信息可由各個局部的磁場漸變得出評估。霍爾元件必須真實地"感知"這個彎曲的近場磁力線。由于霍爾電壓的極性跟隨磁場的方向,磁鐵的北極可區別于南極,使得使用一個極對來確定絕對角度成為可能。   霍爾元件最多僅能從磁碼盤的磁場產生10mV的電壓。為了達到光學編碼器系統的分辨率,信號的帶寬必須被限制。為了達到信號調理的目的,霍爾元件使用一個固定的掃描頻率和濾波來評估。這個霍爾傳感器扮演了一個模擬低通角色,截止頻率大約20kHz。然而,實際上,較長的信號傳輸延時是不相關的。 4.1)裝配公差和補償特性  兩個系統都使用快速實時插補細分電路由向量追蹤轉換器使用arc tangent進行轉換。關于偏置、幅度匹配、相位精度和諧波,此轉換器依賴于模擬的正弦/余弦傳感器信號。然而,與理想的裝配位置的偏差引起的信號誤差會減小插補細分的精度。為了確保測量精度,兩個系統都允許靜態校準由裝配引起的信號誤差和通過集成的D/A轉換器校正調節幾個模擬信號路徑。   電子信號校準會增大機械活動限制度(表3)。iC-MU也允許正弦/余弦相移校準,這也能補償徑向對準誤差。一旦設置和校準,所選擇的工作點由自動功能來維持。對于光學編碼器,集成的LED功率控制補償由溫度上升引起的LED效率損失。霍爾編碼器有一個增益控制用來補償當磁碼盤與芯片距離的變化時引起的場強改變。 表3:機械數據和裝配公差 4.2)可能的誤差來源  原則上,誤差應該被通盤考慮進去。在這里,已對基本情況進行了考察,拿霍爾編碼器作為一個例子。如果測量用磁鐵的相關幾何尺寸已被考慮進去,這些考察結果也同樣適用于光學編碼器系統。   如果霍爾編碼器在掃描半徑對齊不理想,將會引起正弦信號失真。如果有一個半徑位移(ΔR),霍爾元件不能探測到磁體或者探測到分段的磁極不在正確的位置(圖5B)。正弦和余弦信號就會有一個固定的位移誤差在隨后的掃描中出現。然而,這也可能通過使用集成的信號校正電路得到補償。表達式1:由于徑向對準引起的測量誤差   表達式1給出了傳感器信號電子相位誤差,D為掃描直徑,ΔR為掃描位移。例如,參考電子正弦周期信號,一個霍爾編碼器徑向0.1mm位移會產生0.35°的相移在掃描直徑為26mmm時。如果計算每旋轉的機械角度誤差,結果必須除以極對數。一個標準磁碼盤有32個極對,相當于機械角度誤差為0.01°。  另一方面,器件在切線方向的位移(ΔX)對兩個軌道信號電子角度相移的影響或大或小是相同的(圖5A)。這個間距改變和相位差異僅輕微地影響計算絕對位置值,實際上幾乎不會改變。然而,偏心裝配誤差(ΔE)會引起設備抖動(圖5C)。直徑越小,測量目標的改變越大。一個長波誤差出現會減小絕對測量精度。                                             表達式2:由偏心率引起的測量誤差 偏心率誤差來自于測量器件的位移ΔE,這個誤差來自于旋轉軸和測量磁鐵的極寬p。因此,一個偏心率10um的誤差導致相位誤差為1.4°(參考正弦周期),或者角度誤差0.05°;(參考機械旋轉),有關尺寸大小,見表3,掃描直徑26mm,極寬1.28mm,32極對。對于起決定性作用的相位差游標計算,偏心率誤差扮演著一個較小的影響,由于兩個信號軌道的偏心率是相同的。在一個完整的機械旋轉360°,角度精確度優于+/-0.1°。這個精度受磁化系統的限制。如果個別的磁極變化,輕微的位移影響在大約45°和90°如圖6所示。連接參考編碼器的機械軸也產生一個軸心誤差,它可以通過在同一個方向旋轉的一個長波偏離觀察到。圖6:iC-MU磁系統角度精度圖6展示了iC-MU磁系統的角度測量精度,使用磁碼盤 MU2S 30-32,周期角度為11.25°。在這里,數學和圖形功能在BiSS讀出軟件里能容易的比較測量數據。 5)結論:哪個更好?  磁傳感器技術有很多優點可說:優秀的可靠性、對沖擊和振動的高抵抗性、不易碎、對灰塵和水蒸氣不敏感。單芯片霍爾編碼器iC-MU允許使用空心軸以及可實現僅有光編碼器才能做到的位置分辨率。然而,對于高測量精度的應用,光學傳感器,諸如iC-LNB等有優勢,但是需要更昂貴的裝配成本。但是,考慮到它們具有小的optoQFN和optoBGA封裝,單芯片編碼器是一個可行的選擇。基于這些關鍵點,決定選擇哪一個方案應該由應用本身的需求來決定。    
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采用智能驅動器為長距離傳輸線路節能
 采用智能驅動器為長距離傳輸線路節能  當在長距離的線路傳輸信號時功率消耗會倍增,采用智能驅動器可以使得電線或者電纜減少功率消耗。對于控制工程中信號高電平使用24V這種特殊情況,這是采用線驅動器的一個潛在節能優勢。功率消耗下降使得線驅動器的外殼溫度顯著地減小。線驅動器是被設計用來轉換邏輯電平和經由連接線傳輸他們作為電子輸出信號。通常在工業控制工程使用的信號擺率大約24V。電纜通常連接到接收器,接收器采用高阻抗來保持靜態功率低消耗。關于電纜的特性阻抗,大概100 ohm,控制單元的輸入阻抗大概幾千個ohm。這里所研究的是電氣上的電纜,即沒有連接的開路終端電線。  在發射端,線驅動的輸出阻抗通常調節到匹配電纜的阻抗。圖1展示了一個這種驅動器的例子。這種推挽輸出驅動器的輸出特性可以簡單的由兩個理想的開關和一個串聯的電阻Rs來等效。這兩個開關HS(高邊)和LS(低邊)按照供給的輸入電壓(沒有在這里畫出)控制,由控制信號ENHi和ENLo來產生。圖1:線驅動器輸出級電路原理圖   最初,一個不帶電的電線由切換到高邊開關HS來充電,供電電壓VB沿著電線通過串聯電阻Rs和電線的特性阻抗ZL來分配。由于Rs大約等于特性阻抗,在電線的開始端A點上電時的電勢大約為供電電壓的一半(圖2)。再往前(2),整個電纜由線路的波動進展被充電到VB/2。  一旦線路波到達接收器B(3),它在開路終端被反射。此反射波被疊加到輸入波,導致在B點由疊加波部分設置一個等于VB的電勢。接收器因此檢測到一個相當于全電源電壓VB的電壓擺率。 整個電纜最終的電勢由反射波充電到VB(4),意味著一旦反射波到達驅動器輸出端A,電勢VB/2也上升到VB(5)。 驅動器輸出端更進一步的反射由阻抗適配器和Rs有效的抑制,因此,線路電勢會趨于一個穩定值。當低邊開關LS切換時,電纜以同樣的方式又開始放電。圖2:信號在一個開路電線上傳播 圖3所示是依據開關狀態從電纜的起始端A到終點B的電壓模型。此外,由驅動器本身的供電電壓和接收器輸入阻抗引起的靜態功率消耗是微不足道的,相當大的線驅動器功率消耗(P)時間在電纜的充電和放電。更長的電纜和更長的再充電時間以及更高的再充電頻率消耗的功率就越大。功率消耗隨著頻率線性增加。實際上,最大使用頻率由驅動器的最大功率消耗限值。圖3:iC-DL在高邊和低邊開關有效信號ENHi和ENLo激勵下電纜起始端A到終端B電壓模型和驅動器功率消耗減少動態功率消耗  一種可能的由iC-HX減小動態功率消耗的方法如圖4。此驅動器管腳兼容iC-DL,具有一個外部連接一個負載電容Cx。工作時這個電容被充電到供電電壓的一半(VB/2)。 圖4:線驅動器帶開關X和電容Cx的電路原理   iC-HX的工作特別之處是什么?信號傳輸時通過對電纜的充電、放電和iC-DL是一樣的,電源和切換實體不同,接下來由圖5說明。iC-HX在充電(1)期間高邊開關HS首先由電容Cx的開關連接到電纜取代,這將會充到電源電壓的一半。由于在這種情況下電流是由無功功率提供的,這幾乎沒有消耗任何電源功率,除了通過開關X的電阻性損耗。為了反射波能被驅動器內部吸收,在反射波到達驅動器輸出端A(5)之前,電容Cx必須立即和電纜斷開并且高邊開關HS有效閉合以便輸出阻抗Rs變為有效。僅僅在這個短暫的切換到高邊開關工作和反射波到達的瞬間功率消耗和iC-DL是一樣的。圖5:iC-HX高邊,低邊和X開關在線路起點A到終點B的有效電壓信號模型,驅動器功率消耗僅出現在從X到HS以及X到LS短暫的切換時間   類似的情形,當電纜第一次放電時電容Cx又通過開關X連接回電纜。這會引起電纜里的能量傳輸返回到Cx;僅在切換到低邊開關期間驅動器消耗少許能量。  潛在的節能在于驅動器上電和斷電的運行時間的使用率有關。  因此,有效應用上述原理,再充電點放置盡可能精確到僅僅在反射波返回前一點是必要的。剛開始iC-HX不知道電纜的運行時間;它必須首先檢測反射波朝向。在這個短暫的“學習期間”,iC-HX按照慣例工作幾個循環,和一個普通線驅動器一樣,不使用Cx切換到電容。一旦電纜運行時間符合規定,此器件自動切換到X開關模式。 潛在節能例子  一個潛在節能的例子由圖6給出。此圖所描述的是使用四個通道,100m長電纜時驅動器的功率消耗。這是一個典型的增量編碼器應用,差分信號A和B使用差分信號傳輸到控制單元。圖6:iC-DL和iC-HX使用兩對100m電纜工作時功率消耗對比   如上文所述,由于電纜再充電是間歇的,隨著所傳輸脈沖的頻率增加功率消耗也會上升。對于一個給定的頻率,iC-HX節省功率消耗大概在30%到40%的范圍。相反的,這意味著在應用中由iC-HX替換iC-DL后驅動器溫度上升較低。例如,用這種方法,增量編碼器由距離決定功率消耗的較高工作溫度可以相當地降低到從80℃上升到100℃,在使用相同的機械裝配和相同的熱阻情況下,熱耗散較低。 
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靈活的傳感器信號調理和安全傳輸
靈活的傳感器信號調理和安全傳輸 單芯片傳感器信號調理器集成附加功能提供靈活的信號調理專業的傳感器記錄各種各樣物理參數提供給人或者機器用來更好的決策和優化處理。為了達到期望的結果,傳感器的信號質量和功能安全是同樣重要的。此外,轉換這些被測量的參數必要時應該盡可能的精確和包含易于集成的電子輸出級。設計者面對的一個挑戰是廉價的放大這些小信號,這些信號通常具有非線性以及參數受溫度影響。使用下面的這些方法來調理它們,使得在惡劣的工業環境下通過長電纜能夠保證安全傳輸。 設計者也需要決定如果要傳輸信號,傳輸的信號是數字的還是模擬的。本文概述了針對這個問題的可能方法,描述了一個通用的結構、集成的、可編程的信號調理器用于線性和旋轉編碼器、AMR傳感器和光學傳感器的信號預處理,來滿足工業應用的要求。信號的質量和錯誤保護是決定性的為達到最佳的適應和評估各種傳感器元件,例如,用來測量溫度、壓力/壓強、加速度、位置或光強度,需要一個儀表放大器來提供一個必要的放大。儀表放大器是一個差分器件,兩個輸入同樣放大;它要求必須包含靈活的、可調節的和具有一個高阻抗輸入來處理這些非常微弱的傳感器信號。它也必須具有補償能力來補償由于生產引起的制造偏差。在信號調理級,應該考慮到由溫度或溫度漂移以及泄露、抑制引起的非線性影響,還要避免噪聲或在傳感器感應的干擾。傳感器橋陣列(典型的是惠斯通電橋)尤其適合抑制共模干擾以及即使輕微的電壓改變也能夠提供一個足夠的信號質量。當需要在信號通道定位可能的信號錯誤源時,考慮下面的這些可能性: 1、檢查線路斷路或者短路 2、在傳感器上或者在信號傳輸期間感應的干擾 3、電源供電中斷或者接地不良 4、超出最大工作溫度范圍一個個冗余的信號路徑模式已被證明在高要求的錯誤保護情況下是明智的,但傳感器信號電纜的成本將會加倍。一個好的折中是以傳感器信號的差異作為條件來簡單的檢測信號線錯誤,以及結合這個使用一個集成的溫度探測器和一個電壓探測器和傳感器監控功能來提供各種診斷功能,包括識別傳感器焊接和線纜失效以及溫度監控。關于傳輸傳感器信號,一個供替代的選擇是在信號調理之后立即數字化這些值,然后使用安全的數字協議傳輸它們。為了達到較高的測量分辨率,每個傳感器需要一個ADC,而這將涉及到更高的使用復雜的現場總線協議的成本。 簡單的電壓信號(例如,0-10V)或者電流信號(例如,4-20mA)接口是相當通用的但不提供標準監控。系統設計者因此選擇差分傳輸模擬測量值,差分傳輸使得傳感器信號在驅動器方面邏輯是有效的以及即使使用長的連接電纜共模干擾也會得到抑制。采用這些建議,iC-Haus構思了iC-TW3,一個差分的,三通道可編程信號調理器,配備100-120Ω閉環差分線驅動器。 一個通用的信號調理器圖1所示的是iC-TW3通用信號調理器的差分信號通路。此器件由一個可編程輸入放大器、一個偏置補償級、一個動態濾波器和一個差分輸出放大器組成。輸入偏置、增益和低通濾波器頻率可在此信號通路中設置。在所有三級放大覆蓋的-6到57dB范圍可由間隔0.08dB進行設置。一個總共±1240mV的偏置電壓可由多個40mV配置給前端放大器。一個總共±2.54mV的偏置補償值可以2mV為單位由下游的動態濾波器放大器設置。輸出放大器也包含差分線驅動器和推動已調整的信號,以便使用一個低阻線終端(例如,120Ω)也可以用來直接傳輸1Vpp的信號。圖1:傳感器信號調理通路此放大器輸入也可以工作在單端模式。如果有這樣的需求,則放大器負的輸入端要連接到VDD/2。作為一個附加的選擇,連接到傳感器器件的線纜斷開可以由切換到內部的2MΩ上拉電阻來監控。發生此錯誤事件,信號調理器iC-TW3由NERR輸出一個低電平標志產生了一個傳感器斷開事件。 自動溫度補償  溫度錯誤通常在傳感器部分沒有補償,但會在中心計算機、微控制器、PLC或者驅動器補償。溫度直接由傳感器測量并且作為一附加參數被傳輸。作為一種選擇,溫度可以在傳感器部分測量,用來限制監控和執行本地補償。后面的這種方法基于兩個溫度測量點的線性插補細分。為此,iC-TW3允許一個總計16個自由選擇的插補細分點在0-255的范圍,包括最低值0和最高值255。使用集成的溫度傳感器,這相當于-50℃到150℃的范圍。然而,兩點距離之間的溫度傳感器曲線可以自由地選擇以及可以被調節到適合任何類型的曲線。這些插補細分點存儲在一個查找表里,iC-TW3自動地差補細分通道A和通道B的增益和偏置與通道Z的偏置一樣好。一個總計五個8位的值給可能的16個插補細分點,存儲在I2C連接的EEPROM表格里。這個例子如圖2所示,七個定義好的差補細分點用于溫度補償來矯正所連接的傳感器的偏置和增益的非線性。圖2:插補細分溫度補償增益和偏置一個外部溫度傳感器也可以被連接到iC-TW3,此傳感器應該從物理上隔開電子和其他環境溫度的影響。一個在-50℃和150℃之間的8位的值被用來定義一個可選擇的門限溫度觸發警報。這個警報由iC-TW3的ERR管腳輸出一個低電平,此也可以被用來驅動一個通用錯誤LED指示。 由微控制器或者一臺計算機來調理  iC-TW3由一個雙向的脈寬調制1-線接口來讀/寫訪問所有的寄存器,如同連接的參數存儲器件(一個標準的I2C EEPROM)。在實際應用中可以通過一個微控制器的端口直接控制。此連接也可以配置成一個光學的只-寫連接,如果是密封的傳感器補償,需要“無線”設置。例如,通過一個光傳輸窗口完成。可提供一個適配器用來開發和設計使用,它可以連接到普通計算機或者筆記本電腦的USB接口。圖3描述了iC-TW3的圖形用戶界面用于調理信號通路A和B。在開發期間,這允許用戶確定所有的前置放大器的增益和偏置、濾波器和輸出放大器的參數。工作模式設置(差分或者單端)和傳感器錯誤監控也可以使用這個工具來編程設置。如果設置被選擇,所有新的設置通過軟件立即寫入iC-TW3連接的EEPROM。當前iC-TW3的測量溫度、EEPROM校驗和報警、超溫和傳感器錯誤也形象的顯示出來。每個信號增益路徑可以設置為省電模式來節省功耗。 第三個通道Z信號通路的設置是相似的。這可以用來掃描增量編碼器的參考軌道,用于角度和運動測量或者作為一個可調節的比較器支持增益和偏置警告設置。自動偏置補償周期信號,例如那些正弦/余弦掃描和最大適應頻率以及目標幅度(內部1/2VPP或一個預設的外部值),使用Misc菜單選擇所有的傳感器信號通道。這也可以用來切換溫度補償的開關和設置最高溫度限制。插補細分點和溫度補償特性曲線特征(多達16個查找表)通過一個集成編輯器編輯(通過菜單Extras訪問)。圖3:通過USB接口調理信號用于開發和生產傳感器橋應用  圖4是一個運動傳感器電路圖,通過磁或者光傳感器橋掃描兩個差分軌道,然后調理這些周期的正弦/余弦信號,放大到1Vpp以及通過連接電纜差分傳輸他們給一個120Ω的線路終端。視情況,一個索引傳感器信號可以經iC-TW3的第三個通道調整處理和傳輸。這種方法的優越性是差分的正弦/余弦傳輸實際上不受接口影響,以至于它的邏輯可驗證性,確保應用電路的功能安全。在接收器部分調理過的傳感器信號也可以使用一個非常高的分辨率數字化,使得線纜短路和斷路在接收器部分能容易的被識別。                                                                圖4:運動傳感器帶正弦/余弦信號調理和差分模擬傳輸上電后,iC-TW3從EEPROM提取工作模式和校準數據填充到它的內部RAM。依舊可以通過1-線接口訪問它,允許重新補償或者改變工作模式。然后,這些變更可由iC-TW3寫入EEPROM。如果iC-TW3檢測到一個錯誤(例如超溫、EEPROM校驗錯誤或者傳感器器件連接線斷開),NERR輸出被激活。這個報警然后可由一個數字輸出驅動器通過長的線路或者電纜傳輸。 內置安全功能  而圖4所示的系統支持安全的差分線在120Ω的負載線驅動,圖5所示的系統支持100Ω線驅動。圖5所示的是磁增量編碼器的例子,磁傳感器橋或者光信號被iC-MSB用iC-TW3相似的方法放大和調理。在線纜帶100Ω的終端電阻,iC-SMB提供一個擺率為1Vpp值并且支持短路保護和容錯。iC-SMB電路通過了失效模式與影響分析(FMEA),因此適合在安全應用中使用,例如西門子數控產品系統。圖5:磁編碼器帶模擬信號傳輸適用于關鍵性安全應用由上所述,傳感器信號調理應該包括靈活的信號調理設置、全部的信號傳輸路徑、包含信號調理和模擬線驅動器。這些會幫助減小系統成本和滿足功能安全需求。片上溫度傳感和自動偏置補償提供了新的方法去提高系統性能和減少控制系統的工作量。 
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採用集成電路激光二極管驅動器提高產品性能減少生產及維護成本
采用集成電路激光二極管驅動器提高產品性能減少生產及維護成本設計挑戰在設計低功耗激光二極管驅動電路時,設計者可以選擇使用經典的分立元件解決方案或者使用高級的全集成電路解決方案。通常設計者在選擇方案時只考慮到元器件的成本因素,沒有考慮到整個系統成本設計。生產,測試以及售后支持要在在整個產品壽命期間,主要的關鍵因素考慮如下:在整個供電電壓范圍和工作溫度范圍內輸出功率的穩定性;可靠性;空間要求和激光二極管保護;裝配,測試,以及調校成本;電路設計和測試時間;元件采購和運輸成本;潛在的售后擔保成本;通常被忽略的大多情況是激光模塊中代價最大的部分,即激光二極管本身。因此,保護好激光二極管是一個有利的投資,盡管這個電路需要較高的元件成本。分立元件驅動電路如圖1所示,是一個典型的分立元件APC(自動功率控制)驅動解決方案,用于供電電壓范圍從6到12V的連續波動模式。在這種情況下通用運算放大器加1只齊納二極管,1只三極管和17只無源元件用來控制輸出功率。電路大概需要6cm2板子空間,沒有激光二極管反極性保護和故障保護。這個分立元件解決方案電路啟動時間大概是20毫秒。圖1:典型的分立元件激光二極管驅動電路 集成電路驅動器     圖2所示的激光管驅動解決方案是使用集成電路iC-WKN,一個專用的APC激光二極管驅動器IC用于連續波工作,工作電壓從2.4V到15V,高達300毫安驅動電流。此方案僅需4個附加無源元件來構建一個完整的驅動器。整個電路板占用空間大約1.25cm2,占用空間比分立元件方案縮小了4倍。此電路IC內建接反極性保護,過流和超溫斷電。上電軟啟動(典型值70us)。此電路也保護激光二極管免瞬態沖擊和在寬電壓范圍供電時保持輸出功率穩定。圖2:集成電路激光二極管管驅動器結論圖3所示的圖表是在6至12V供電時分別測量的兩個方案的激光二極管輸出功率穩定性。分立元件解決方案輸出功率在供電電壓范圍內偏差大概10%,集成電路iC-WKN解決方案輸出功率在相同供電電壓范圍內偏差小于1.5%。                                                         圖3:分立元件和集成電路解決方案功率輸出變化范圍 在可靠性方面必須考慮分立元件解決方案有46個焊接點,集成電路IC-WKN解決方案僅有17個焊接點。分立元件解決方案多于兩倍數量的焊接點和超過4倍數量的元件是直接影響MTBF(平均故障間隔時間)的因素(MIL-HDBK-217標準)。當比較分立元件解決方案和集成電路解決方案的總成本時不得不考慮以下6個方面的重要部分:部件;裝配;調節和測試;部件采購成本;庫存成本;潛在的售后擔保成本;僅考慮部件成本需求,集成電路解決方案成本大約貴兩倍多于分立元件解決方案。但是較大數量元件的分立元件解決方案增加了裝配成本,同樣增加了兩個電位器的手工調節輸出功率成本。在這種情況下分立元件解決方案的裝配,調節和測試成本大約貴兩倍多于集成電路解決方案。因此兩個解決方案的成本彼此相當。集成電路解決方案整個系統的可靠性,穩定性和保護激光二極管明顯更好。 必須考慮到分立元件解決方案由于元件部件數量多,焊點多,替換或維修的成本。 表格1概述了兩個解決方案的比較結果。 參數比較分立元件解決方案(圖1)集成電路解決方案(圖2)輸出功率穩定性(供電電壓6-12V)大約10%小于1.5%元件數量20只5只板子空間大約6平方厘米大約1.25平方厘米相關成本部件裝配調節和測試 122 211接反極性保護無有瞬態保護無有過流關閉無有超溫關閉無有啟動時間大約20ms大約70us平均故障間隔時間12.2  表格1:分立元件和集成電路解決方案比較
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簡單快速的測量位置變化
簡單快速的測量位置變化加工機械位置系統、精密測量儀器以及搬運機器人需要快速的記錄位置數據,也需要快速的識別出任何變化。高分辨率編碼器和光柵尺通過一個編碼器接口反饋位置數據給控制中心。選擇的這個接口必須滿足控制單元對時間的要求。對于設計者,擁有太多的編碼器接口可供選擇,這樣就使得選擇編碼器接口的任務和完成這個任務一樣的復雜。除了那些眾多的專有數字接口,也有一些開放的標準接口,例如,SSI和BiSS接口用于絕度位置讀取。然而,如果方向上的或一個非常高的位置分辨率變化需要一個快速的捕獲,串行數據接口的吞吐能力是有限的。作為另一個選擇,有很多傳統的開放編碼器接口可供傳輸位置數據,例如使用正弦/余弦信號或者增量A/B信號傳輸位置數據都很好。下面的文章描述這方面的需求、替代選擇以及可行的解決方案。                                           目錄1.選擇編碼器接口2.使用當前值快速控制3.僅僅計數是不夠的!4.構建一個快速編碼器接口5.摘要選擇編碼器接口在使用控制器或者PLC的線性/旋轉編碼器的系統中調用一個接口模塊(如圖1)。很多控制器廠商提供一定范圍的專有或者開源接口。 模擬接口模擬接口是傳統的非專有接口,傳輸位置信息使用模擬信號。在接收方,既可以使用正弦/余弦值供插補細分器細分,也可以使用電流或者電壓信號(例如,0-20mA 或 0-10V)確定絕對位置。后者是非常通用的接口,用于簡單的位置編碼器。在安全應用領域,模擬差分正弦/余弦信號收發器是優先選擇的,差分信號的錯誤第一時間可以被檢測到,因此適合這類應用。圖1:控制器或PLC的編碼器接口 數字絕對值接口最快的傳輸數字絕對位置數據的方法是通過一個并行接口。這個接口通常由TTL驅動器擔當。然而,并行接口線纜的成本非常高,因為這個原因這種方法不是特別受歡迎。其他方法越來越流行了,包括使用標準的非專有現場總線用于串行傳輸,例如,CANopen、以太網以及開源的SSI/BiSS接口。 數字增量接口另一個傳統串行編碼器接口使用兩個相移90°的A和B信號提供增量傳輸位置變化數據,就是眾所周知的正交信號。另外,一個Z脈沖信號提供零位信號用于零位探測。對于增量接口,一個方向上的改變由A到B信號的相移或者B到A信號的相移變化表示。圖2所示的是一個靠近零位置的方向改變時序圖。這里給出的是一個旋轉運動方向改變時的分辨率,是一個角度,滯后1.4°。如圖所示,A,B增量信號相移允許探測方向用于向下和向上的計數。在這個例子里,一個循環內,A/B信號提供360°的邊沿(H至L或者L至H)。方向鑒別器必須評估這些邊沿的相位差以及激活向上/向下計數器。這例子是編碼器當時的絕對位置信息。圖2:增量編碼器接口和A,B,Z信號時序圖   增量編碼器接口的優越性在于低成本和對線纜的低要求。典型的配置包括TTL驅動器輸出、集電極開路輸出以及線驅動器輸出。TTL驅動器和集電極開路器是更低成本的解決方案,線驅動器提供許多優越的性能。這些高級性能包括差分驅動器的抗干擾性、可驅動長距離線纜運行、高效的功率消耗以及快速串行傳輸性能的提高。差分對傳輸器得益于使用專用的RS422驅動器,提供更好的適應性。方向的改變也可以被快速的探測,速度由簡單的測量兩個Z零位脈沖之間的沿距離來確定。然而,一個絕對位置僅在一個Z零位脈沖到達之后有效。對于旋轉運動,絕對位置在至少一個循環之后獲得。為此,線性測量系統需要一個參考或者起始序列優先于常規運行。 使用當前值快速控制高精度應用和高速運動產生非常高的時鐘頻率,這不得不由接口模塊來處理。考慮這種高速度和位置控制,可實現的控制循環依賴于固件的算法和硬件的延時時間。舉例說明,圖3圖解了一個電機控制系統的組成。除了固件的執行時間之外,如下的硬件執行時間也要特別注意考慮進去:1.    編碼器延時:插補細分器的處理時間和A/B信號的輸出耗時。2.    編碼器和控制單元/PLC之間的傳輸時間。3.    控制單元/PLC的編碼器接口模塊讀出時間圖3:一個電機控制回路的定時組成部分編碼器延遲  編碼器延遲(TLZ)依賴于模擬放大器的帶寬,其內部的插補細分處理、分辨率以及其使用的編碼器接口。 插補細分器延遲如果模擬編碼器信號正弦/余弦插補細分是一個基于MCU/DSP系統,延遲周期可能超過200us或更多。特別要注意的是當使用較高頻率和分辨率,尤其是協同多軸控制和冗余系統。在這種情況下,延遲可以導致位置數據或許不是當前的或者不同步。為迎接這個挑戰,一個基于超快閃速(flash)插補細分器可以擔當此任務(例如,iC-NV)。iC-NV是并行內部處理,可獲得延時少于1us的插補細分器。 編碼器接口延遲當采用串行編碼器接口時,通常只扮演著重要角色的是數據傳輸時間。對于串行傳輸,MCU/DSP從編碼器接口模塊的位置數據讀出時間Tread,取決于數據位寬和整體速度。例如,SSI在10MHz運行,32位寬,傳輸時間為3.2us。對于增量接口,延遲通常可以忽略,給出實時性位置運動編碼器信號邊沿。然而,方向的改變將增加一些數量的延遲,取決于增量信號的遲滯(見圖2)。 處理延遲一旦位置數據通過編碼器接口被讀取,軟件算法處理時間(TS/W)增加了系統延遲。這將在不同系統之間由于系統本身的處理時間而大為不同,取決于使用的MCU或者DSP的構架和處理能力。 電機延遲在位置數據被讀取和處理之后,最終的延遲屬于電機驅動器自身的一部分。激活電機(Tdriver)和隨后的反應時間(Tmotor)必須被加到整個的系統延遲。所有的這些延時時間加到系統延遲,這個延遲會直接影響整個控制周期的持續時間。反過來,這也影響生產率和整個機器電機控制系統的精度。 3)僅計數是不夠的!電機的速度和編碼器的分辨率確定被處理的脈沖的重復率。然而,當選擇一個編碼器的時候必須一并考慮其他因素。 編碼器選擇例子以一個高速應用為例,磁編碼器系統,例如iC-MH在分辨率為10位時允許電機速度高達480,000 RPM。這些器件也同樣提供相關的電機換向信號UVW。典型的電機速度通常在500到15,000RMP范圍以內。然而,通常要求的分辨率為12位或者以上。在這種情況下,一個速度為120,000RPM和12位位置分辨率的編碼器可以由iC-MH完成。iC-MH是一個單芯片絕對值編碼器器件,提供多種編碼器接口。包括兩個串行SSI/BiSS傳輸接口和一個增量接口。聚焦這個標準增量信號,A/B信號的沿重復率達8MHz。這允許一個大于125ns的最小沿距離距離在兩個A/B信號沿之間(見圖4a:多種電子插補細分器/編碼器特性)。圖4a::多種電子插補細分器/編碼器特性 位寬和速度圖4b給出了每旋轉編碼器的脈沖數,取決于速度。在一個15位分辨率以及10,000RPM重復率時幾乎達到5.5MHz。標準編碼器僅在低速時能獲得像這樣的分辨率。隨著方向改變,最小沿距離非常重要而且必須被考慮進去。圖4b:脈沖速率取決于速度和分辨率直線電機例子如果使用直線電機,通常需求的速度為幾米每秒。對于無芯直線電機,甚至可以獲得超過7m/s的速度。對于光柵尺或磁柵尺,其提供一個周期間隔20um的正弦/余弦信號。若由采用一個分辨率因數為16的插補細分器細分,例如,采用iC-NQC,可達到1.3us的分辨率。在直線速度為2m/s時,脈沖重復率為1.6MHz。除了脈沖重復率和A/B信號的最小沿間隔之外,在開發期間也要遵守下面的這幾方面: 多軸位置在tX時刻同步存儲簡單的速度測量在A/B信號傳輸期間檢測失調/誤差可編程計數器的長度要考慮到不同的測量精度單端和差分兩種方法評估A,B和Z信號 4)構建一個快速增量接口增量編碼器可以用多種不同的方法連接,對于非常緩慢的運動,使用MCU的固件和一個中斷來評估信號沿即可。如果使用一個外部方向鑒別器,或者使用一個集成到MCU內部的方向鑒別器,數KHz頻率的A/B信號也許由MCU的內部定時器/計數器能勝任此掃描任務。對于工業控制器/電機控制系統,FPGA也經常用來構建編碼器的接口。取決于此處理器的構架,有些這方面的一些系統有局限以及不能處理高頻率的編碼器。然而,采用新開發的嵌入式控制器和專用的編碼器處理器可以幫助設計者解決此類型的設計挑戰。iC-MD是一個此類型的編碼器處理器件,如圖5所示,此器件提供一個完全的增量編碼器接口和集成的差分RS422線接收器。iC-MD也可以連接到一個SPI接口或者一個SSI/BiSS接口。iC-MD集成的方向鑒別器激活可編程長度的同步向上/向下計數器。此允許高達3個通道,每個通道可配置高達16位,或者配置為兩個24位計數器,或者配置為一個32位計數器,或者配置為一個48位計數器。在兩個零脈沖之間,一個24位參考計數器計數A/B信號的沿數目。同時使用兩個24位寄存器,其用來評估編碼長度參考標記。累加的參考計數器值也可以用控制器或者本地MCU/DSP來計算速度或者加速度。一個速率為40MHz的編碼器,最大計數頻率要足夠支持一個小于25ns的沿間隔。第一個24位計數器的位置可以存儲以及可通過一個外部事件從接觸式探針引腳(TP)讀出,或者通過iC-MD的SPI/BiSS接口讀出。在一個多軸控制器應用中,這個功能有助于在tX時刻同步存儲所有的位置信息, 以及順序讀出傳播延時時間。圖5:3通道增量編碼器接口帶差分RS422接收器 A/B相位邏輯也被iC-MD監控,并且報告給MCU/DSP其他錯誤,例如過壓,通過一個錯誤輸出(NERR)。報警,例如計數器向上溢出或者向下溢出,由iC-MD的輸出NWARN切換到低電平來標志。這些輸出端子是雙向的并且也由iC-MD作為一個外部消息來存儲以及它的狀態可以通過SPI/BiSS接口讀出。兩個執行器輸出(ACT0/1)可由軟件和MCU/DSP作為信號輸出(例如,用于LED狀態指示)或者作為開關。當考慮到很多編碼器接口設計數不盡的挑戰時,設計者面對的是更多的挑戰。若采用編碼器處理器,例如iC-MD,很多功能可以從一個已經存在的MCU/DSP平臺獲得。如果這樣,這將會減少系統的負擔以及提高很多性能和適應性來達到總體系統設計的要求。 5)概要  在未來的幾年里,需要更短的機器生產速度和更節能的產品,而且為驅動系統開發快速位置傳感器也將成為一個主要的挑戰。有針對性的集成電路,如本文的這個例子,將有助于以成本效益的方式解決這些要求。未來的編碼器iC研發瞄準的是時鐘速率高達100MHz,以便更高的精度可以被快速和可靠的測量。
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走向數字化的游標掃描
游標插補細分為線性位移測量系統和旋轉編碼器提供了優秀的差分線性和更高的分辨率  混合信號亞微米CMOS技術提供了高性能的片上系統設計。隨著傳感器(光電二極管或者霍爾元件)的集成,提高了位置傳感靈敏度。模擬正弦信號插補細分已經變成了一個技術標準,線性位移系統能夠到達小于1微米的分辨率。如果在這些交錯間隔反復應用這個原理,就會得到更加精確的測量結果。這種方法的基本原理來自游標卡尺,這種插補細分使用了集成游標設計。無論測量尺是磁的或者光的,或者是粗略的還是精細的,計算原理是相同的。這個游標掃描過程是完全模擬的,并且發生在一個超小區域內。這個方法提供了替代既定的線性和旋轉位置的傳感方法。 一種細分編碼器由比較主尺和游標細分尺,電子傳感器可以得到精確的讀數,不需要連續掃描多個數字軌道。例如,iC-Haus的插補細分電路iC-MN(圖1)可以評估一個或者兩個附加到主尺的游標尺并且聯合這些讀數形成位置數據。圖1:光學游標系統用于三個信號軌道插補細分對于iC-MN,插補細分電路定義絕對角度位置是利用三個正弦信號的相移。這種方法比僅使用兩個標尺對系統要求的精度較低,較容易實現。主軌道a1決定著細分分辨率和系統絕對精度,游標軌道a3和段軌道a2產生的信息用來決定間隔(圖2和圖3)。一步一步的計算步進時信號錯誤允許的公差。采用這種方法可以制造小尺寸的測量尺和編碼器機構,并且這種靈活性可以用于較小的傳感器。信號的頻率也降低了,因此,通過模擬電路元件的不同相移延時的低通特性可以忽略,無需使用低通濾波器。圖2:三正弦/余弦輸入信號分別數字化(相位角a1,a2和a3)圖3:以a1提供的細分分辨率從相移a1和a2計算出角度a3芯片功能iC-MN的每個通道有一個可調節的信號調理單元和一個采用保持電路,采樣保持電路保持調理過的模擬信號用于順序的數字化。為了達到這個目的,此單元包括一個高精度SAR ADC,帶8-13位可調節分辨率的插補細分器。 在模擬電路,信號偏置電壓為校準提供一個參考。此單元也評估信號幅度,如果需要,傳感器提供能量給這個軌道。這意味著在室溫下調理的參數設置仍然在整個工作溫度范圍內有效。 非線性ADC使用正切函數同時分析正弦和余弦。這用來預防ADC來自細分頻率依賴由于速率錯誤引起的角度錯誤。 為了計算高分辨率角度位置,可以配置兩個乃至三個軌道游標計算,這使得分辨率高25位(360度;一周內分辨率達0.04 弧度秒)。 iC-MN為7х7mm QFN48封裝,需要注意連接線終端防止極性接反和錯誤連接,包括RS-422收發器串行數據接口。數據輸出是SSI協議或者BiSS協議,BiSS時鐘速率可達10Mbps。 使用這個器件可以監控所有的芯片主要功能和配置報警給指定功能。系統會識別典型的傳感器錯誤,例如由于信號線斷開引起的信號丟失,短路,臟污或者老化,并且通知控制器。 光學編碼器絕對值光學編碼器使用精密的標尺,使用微結構應用于玻璃基片。此器件得益于系統級片上集成解決方案和元件尺寸。除了執行多軌道數字掃描以外此編碼器還細分模擬信號來產生中間值。 光學編碼器使用光束穿透模式,使用LED作為光源,碼盤上面有一定數量的碼道,傳感器為光敏感性IC。此傳感器結合光電探測器,信號調理單元和插補細分電路在一個單芯片系統。 使用一個高數量的均勻間隔圍繞分布在碼盤的圓周,標準工藝可以達到非常高的精細分辨率。例如,片上系統iC-LG位置傳感器,初始化分達到2048個相等間隔每圈。碼盤直徑為42mm,碼道寬度大概27um。 為了維持單圈絕對位置,此傳感器必須區分出每個間隔。為了達到這個目的,碼盤具有高達13個附加的碼道,它以數字絕對碼的形式提供了清晰的間隔信息。 此傳感器會通過插補細分這些周期的間隔來更進一步完善這個位置數據。在這里,每一個間隔提供了一個正弦和一個余弦信號。通過計算正切函數,傳感器可以確定一個間隔內實際的相角。這可以補償數字絕對代碼的不利因素來獲得更細微的絕對位置信息,相應分辨率高達21位。 游標的竅門為了達到精細的基本分辨率,基于游標的計算也可以區分這些周期的間隔。為了達到這個目的,這個方法使用額外的正弦信號取代數字絕對碼。對于測量標尺,3個軌道足以替代12個。目前的傳感器,LED以及鏡頭都適合設計成非常小的元件,這些小尺寸的元件開辟了新的應用。 同時,有效的光電傳感器陣列,例如iC-LSH,提供高保真的無滯后和低失真正弦信號。這允許精密細分以便游標計算能基于較少的周期間隔(圖4)。圖4:游標編碼器空間縮小一半角度誤差為了達到較好的細分,確認相關信號錯誤和補償這些信號是非常重要的。典型的錯誤源包括由偏置引起的傳感器阻塞(OS和OC);傳感器正弦和余弦信號的靈敏度不一致(幅度AS和AC);正弦和余弦信號之間的相移偏離90度;(ΦSERR 和/或ΦCERR)以及傳感器的非線性特征曲線(正弦和/或余弦曲線的形狀偏差)。在測量標尺或者光柵也有誤差,例如每個周期間隔的寬度波動導致正弦和/或余弦信號的周期會不同。通常這個角度由一個周期間隔的反正切正弦和余弦信號相關的商依照等式1計算出:插補細分電路量化這個角度,細分這個周期間隔使得編碼器的位置分辨率超過每旋轉20位是可行的。一個短的波動角度錯誤是在一個周期間隔內的錯誤。依賴于周期間隔的數量,此錯誤對角度測量絕對精度有不同程度的影響。一個長的波動角度錯誤隨著軸每旋轉一周而重復。調整碼盤通常會引起這種類型的錯誤。測量標尺的精度也是一個決定性的影響因素。編碼器軸的裝配也可能引起整個系統的角度錯誤(例如,裝配偏離中心以及軸和軸承受力過大)。 對于光編碼器(iC-LG,2048個周期間隔),整個一圈(360°)的絕對錯誤×2048)。插補細分電路可以提高10倍的精度,電子精度可以達到2.8度。為了補償較低分辨率的測量標尺的信號,對插補細分電路要求就更高。信號調理也是一個重要的因素。它必須精細的矯正波形。傳感器信號諧波分量也是一個影響插補細分結果的因素,因為它會減小角度的精度。現在制造的光電傳感器陣列總諧波失真低于0.4%(使用256個周期間隔),然而,已經是一個主要的錯誤來源。 概要幸虧有游標插補細分技術,使用此技術的編碼器使得測量系統的整體性能可以達到更高的精度以及使用優良的差分精度為數字化的電機反饋系統提供更高的分辨率。一個相對較小的光學傳感器僅僅由幾個少數的信號相位關系足以掃描位置信息。使用此技術做編碼器可以使用簡單的光源,較低的功耗,和節省空間。這反過來又降低了系統成本和開辟了新的應用。 
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