接地技术的讨论(转载)

在论坛上模拟板块闲逛时，看到这篇文章，很有用，所以保存起来，自己慢慢消化，^_^

Q1：为什么要接地?
Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。

Q2：接地的定义
Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3：常见的接地符号
Answer: PE,PGND,FG－保护地或机壳；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)电源（电池）回流；GND－工作地；DGND－数字地；AGND－模拟地；LGND－防雷保护地

Q4：合适的接地方式
Answer: 接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频（f<1MHz）电子线路。当设计高频（f>10MHz）电路时就要采用多点接地了或者多层板（完整的地平面层）。

Q5：信号回流和跨分割的介绍
Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。
第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。
第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。
第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。（这是针对多层板多个电源供应情况说的）

Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开?
Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。
一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。

Q7：单板上的信号如何接地?
Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量；靠近地平面或者电源平面，等等。

Q8：单板的接口器件如何接地?
Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。

Q9：带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?
Answer：屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。

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导线截面积与载流量的计算（转）

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常用电工计算口诀(二)（转）

第二章  导体载流量的计算口诀

    1、用途：各种导线的载流量(安全电流)通常可以从手册中查找。但利用口诀再配合一些简单的心算,便可直接算出,不必查表。导线的载流量与导线的载面有关,也与导线的材料(铝或铜),型号(绝缘线或裸线等),敷设方法(明敷或穿管等)以及环境温度(25度左右或更大)等有关,影响的因素较多,计算也较复杂。

    10 下五，1 0 0 上二。

    2 5 ，3 5 ，四三界。

    7 0 ，95 ，两倍半。

    穿管温度，八九折。

    裸线加一半。

    铜线升级算。

    4.说明：口诀是以铝芯绝缘线,明敷在环境温度25 度的条件为准。若条件不同, 口诀另有说明。绝缘线包括各种型号的橡皮绝缘线或塑料绝缘线。口诀对各种截面的载流量(电流,安)不是直接指出,而是“用截面乘上一定的倍数”,来表示。为此,应当先熟悉导线截面,(平方毫米)的排列：

    1 1.5 2.5 4 6 10 16 25 35 50 7O 95 l20 150 185......

    生产厂制造铝芯绝缘线的截面积通常从而2.5开始,铜芯绝缘线则从1 开始；裸铝线从16 开始;裸铜线从10 开始。
    ①这口诀指出:铝芯绝缘线载流量,安,可以按截面数的多少倍来计算。口诀中阿拉伯数码表示导线截面(平方毫米),汉字表示倍数。把口诀的截面与倍数关系排列起来便如下:

    ..10 16-25 35-50 70-95 120....

    五倍四倍三倍两倍半二倍

    现在再和口诀对照就更清楚了.原来“10 下五”是指截面从10 以下,载流量都是截面数的五倍。“100 上二”(读百上二),是指截面100以上,载流量都是截面数的二倍。截面25与35 是四倍和三倍的分界处.这就是“口诀25、35 四三界”。而截面70、95 则为2.5 倍。从上面的排列,可以看出:除10 以下及100 以上之外,中间的导线截面是每两种规格属同一倍数。

    下面以明敷铝芯绝缘线,环境温度为25 度,举例说明:

    【例1】 6 平方毫米的,按10 下五,算得载流量为30 安。

    【例2】150 平方毫米的,按100 上二,算得载流量为300 安。

    【例3】70 平方毫米的,按70、95 两2 倍半,算得载流量为175安。

    从上面的排列还可以看出,倍数随截面的增大而减小。在倍数转变的交界处,误差稍大些。比如截面25 与35 是四倍与三倍的分界处,25属四倍的范围,但靠近向三倍变化的一侧,它按口诀是四倍,即100 安。但实际不到四倍(按手册为97 安)。而35 则相反,按口诀是三倍,即105 安,实际是117 安。不过这对使用的影响并不大。当然,若能胸中有数,在选择导线截面时,25 的不让它满到100 安,35 的则可以略为超过105 安便更准确了。同样,2.5平方毫米的导线位置在五倍的最始(左)端,实际便不止五倍〈最大可达20安以上〉,不过为了减少导线内的电能损耗,通常都不用到这么大,手册中一般也只标12 安。

    ② 从这以下,口诀便是对条件改变的处理。本句:穿管温度八九折,是指若是穿管敷设(包括槽板等敷设,即导线加有保护套层,不明露的)按①计算后,再打八折(乘0.8)若环境温度超过25 度,应按①计算后,再打九折。(乘0.9)。

    关于环境温度,按规定是指夏天最热月的平均最高温度。实际上,温度是变动的,一般情况下,它影响导体载流并不很大。因此,只对某些高温车间或较热地区超过25 度较多时,才考虑打折扣。

    还有一种情况是两种条件都改变(穿管又温度较高)。则按①计算后打八折,再打九折。或者简单地一次打七折计算(即0.8 × 0.9=0.72,约0.7)。这也可以说是穿管温度,八九折的意思。

    例如:(铝芯绝缘线)10 平方毫米的,穿管(八折)40 安(10 × 5× 0.8 ＝ 40)

    穿管又高温(七折)35 安(1O × 5 × 0.7=35)

    95平方毫米的,穿管(八折)190安(95×2.5×0.8＝190)

    高温(九折),214 安(95 × 2.5 × 0.9=213.8)

    穿管又高温(七折)。166 安(95 × 2.5 × 0.7 ＝ 166.3)

    ②对于裸铝线的载流量,口诀指出,裸线加一半,即按①中计算后再加一半(乘l.5)。这是指同样截面的铝芯绝缘线与铝裸线比较,载流量可加大一半。

    【例1】 16 平方毫米的裸铝线,96 安(16 × 4 × 1.5 ＝ 96) 。高温,86 安（16 × 4 × 1.5 × 0.9=86.4）

    【例2】 35 平方毫米裸铝线,150 安(35 × 3 × 1.5=157.5)

    【例3】120 平方毫米裸铝线，360 安（120 × 2 × 1.5 ＝ 360）

    ③对于铜导线的载流量，口诀指出,铜线升级算。即将铜导线的截面按截面排列顺序提升一级,再按相应的铝线条件计算。

    【例一】 35 平方的裸铜线25 度,升级为50 平方毫米,再按50 平方毫米裸铝线,25 度计算为225 安（50 × 3 × 1.5）

    【例二】 16 平方毫米铜绝缘线25 度,按25 平方毫米铝绝缘的相同条件,计算为100 安(25 × 4)

    【例三】 95 平方毫米铜绝缘线25 度,穿管,按120 平方毫米铝绝缘线的相同条件,计算为192 安(120 × 2 × 0.8)。（来源：中国机械网）

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高速模拟数字转换器的LVDS资料输出(转载)

模拟数字转换器(ADC)的取样率正在逐年稳定的成长中，以便因应通信、测试仪器以及消费性等市场上大频宽新产品的需求。伴随着将信号链当中的信号预先数字化，以便应用在数字信号处理技术的这类需要出现，促使了高速模拟数字转换器核心的发展，朝向字转换时脉高于100MHz到200MHz，且解析度高达8到12位元的境界发展。

以单一个模拟数字转换器而言，它必须要能够驱动接收端逻辑电路，以及伴随的PCB 走线电容。然而因为驱动负载所造成的暂态电流切换，会同时回流至模拟数字转换器的模拟前端，因而对其效能产生负面的影响。要把这种影响减到最小的方法，是把转换器的两个输出埠予以多工化，并降低所需的边缘变化率，同时增加切换瞬时之间的有效设定时间，进而以一半的时脉率将资料输出。

有一种新的方法，能够让模拟数字转换器在应用上提供高速的资料输出，同时又能够使其效能限制降至最低，那就是利用LVDS(low voltage differential signaling 低电压差动信号)技术。LVDS，正如其名称所描述的，是一套低电压差动信号传输架构。这里面的关键字是”低电压”(~350mv)以及”差动”。关于其标准架构及已经发展完整的规格，本文稍后将会讨论到。如同降低EMI所注重的，较低的电压信号振幅将能够获得较短切换时间所带来的最根本益处（相邻的差动走线可相互抵销EMI）。
　

差动信号传输同时也拥有众所周知的共模互斥(common mode rejection)所具备的优点。透过设计良好的差动接收器，伴随信号所产生的噪音将能够更易于被平均分配到两个信号通道上，并且被削减掉。不同于CMOS的输出，通常是不需要安装任何终端电阻的，LVDS输出在电流输出阶段的部分，仍需要在接收器上安装100W的终端电阻。电流的输出会在输出供应的部分产生固定的直流负载电流 － 这是用以避免在电源处的电流突波与敏感的模拟前端产生耦合。 LVDS 接收器 LVDS 驱动器 100_ OUT+ OUT. 所需的终端电阻 　 图 2. LVDS 需要远端终端

标准 关于LVDS的定义，目前已经有两种书面标准。一种是 ANSI/TIA/EIA-644，也被命名为 ”Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits.”。另一种则是 IEEE Standard 1596.3 ，也被命名为 ”IEEE Standard for Low-Voltage Differential Signals (LVDS) for Scalable Coherent Interface (SCI).”关于这两种标准的简短说明，分别说明如下：

■ANSI/TIA/EIA-644
ANSI/TIA/EIA标准是由通信工业协会 （TIA）TR-30.2小组委员会所制订，其中只包含了LVDS的一般电子规格。这个标准的制订目的，是用来建立一个可以应用在资料通信设备之间的点对点连线，所需使用的高速传输介面标准。其最大资料信号传输速率是655 Mbps。通信工业协会小组委员会希望，其他各种标准在制订传输器与接收器间更完善的传输介面规格时，ANSI/TIA/EIA – 644能够成为其参考准据。

■IEEE Standard 1596.3
IEEE Standard 1596.3是由1992 SCI通信协定(IEEE Standard 1596-1992)所延伸发展出来的一个标准。原本的SCI通信协定是为了高阶运算所需的高速封包传送所制订，并且采用ECL标准。然而，针对低阶运算以及对电源敏感方面的应用，则必须要有一套新的标准。由于LVDS信号的电压振幅远比ECL输出来得小，能够符合对电源敏感设计上所需的较低电源供应，因而成为首选。

以ADI推出一款210MSPS、12位元的数字模拟转换器 － AD9430－为例，该元件中内建了LVDS的输出能力（CMOS输出仍然可用），图３是AD9430 LVDS输出的电路简图。
OUT+
OUT.
VDD
IS T
IS B
Q1 Q2
Q3 Q4
A. A+
A+ A.
　

在图３中，差动输出是以「OUT+」来标示，亦即正向输出或实际资料输出，而以「OUT-」所标示的则是其相对应的差动信号资料输出。电路的操作可以下图来说明（参照图4）。来自于VDD的电流（lsT）是内建于晶片当中，并且透过Q2来做导引。在这个范例当中，数字逻辑的1 被传送出去 ( V+>V- )。接收器上的100 W终端电阻提供了一条电流路径，可以让电流透过Q3回返至较低的电流槽（lsB）并接上地线。一般电流源/汲是设定为大约3.5mA左右，藉由一个外部的100 W终端电阻，可以产生出350mV的振幅。

VDD
IS T
IS B
Q1 Q2
Q3 Q4
A. A+
A+ A.
LVDS
接收器
V+
V.
Z0 = 50
Z0 = 50
100_ RTERM
　

假设有个大约为1.2V的输出共模电压（共模控制电路未显示出），则输出电阻可以由2颗50 W电阻组成并与它们的分接器 (center-tap)串联设定在1.2V。这样的设计可以与传统的PCB走线特性的50W典型阻抗（Zo）相匹配并且将反射作用降至最低。AD9430的LVDS输出规格与ANSI/TIA/EIA – 644标准是符合的。表I中所示为ANSI/TIA/EIA – 644标准与AD9430-210规格的比较。

规格 最小值 最大值 典型值 输出电流 2.47 mA 4.54 mA 由RSET 所决定(一般为 3.5 mA) 差动输出电压范围 247 mV 454 mV 350 mV 输出偏置电压 (共模) 1.125 V 1.375 V 1.2 V 转换时间 上升时间 (tR) 0.3 _ tUI = 0.3 X 4.76 ns 0.5 ns 下降时间(tF) 20% to 80% = 1.43 ns 表 I. ANSI/TIA/EIA-644 和 AD9430 规格摘要 ANSI/TIA/EIA-644 AD9430-210

输出电流 不同于CMOS使用传统的电压输出，LVDS採用的是电流输出技术。AD9430的输出电流是利用一个电阻来加以设定，其电阻值通常为3.7k。这个3.7k的电阻使得输出电流值为3.5mA。请注意到在AD9430中，这个3.5mA的一般输出电流是可以调整的，以便于让某些系统在设计上能够更具有弹性。

差动输出电压以及偏置电压 在ANSI的规格中，定义出差动输出电压振幅是介于247 mv到454mV之间。假设类比数位转换器的输出部分，输出电流设定为3.5mA，接收器的输入阻抗是100，则一般差动输出电压就是350mV。AD9430的输出驱动器是专用于1.2V共模电压，恰好符合了ANSI规格。共模电压范围是设定在1.1V到1.375V，以便在驱动器与接收器的地线之间产生最多1 V的地电位偏移(ground shift)。为了达到最佳效能，必须要让同一电路板上的模拟数字转换器输出端，与接收器输入端的位置非常靠近，这么一来就可以不需要顾虑地电位偏移所产生的影响。

转换时间 在表I中，ANSI/TIA/EIA – 644标准的规格对于信号转换时间的定义是：当资料信号率低于或等于200MHz时，信号转换时间必须低于或等于0.3 tUI。tUI的值是依据资料取样率的相反值来定义。在AD9430的例子中，最大的取样速率是210MHz，所以tUI的值就等于4.76ns。将tUI值4.76ns代入规格表里面的公式计算，0.3 x 4.76ns = 1.43ns。因此，差动信号的上升时间（tR）以及下降时间（tF），其总和应该要低于1.43ns。以AD9430而言，其上升及下降时间值都只有0.5ns。图5中所列举的是LVDS差动输出电压，其上升时间以及下降时间的定义。LVDS对于上升以及下降时间的定义，是以在最大信号强度的20%至80%之间变动的信号时间为依据，不同于CMOS输出的上升下降时间，其定义通常是在10%至90%之间。 tUI tR tF +350mV 讯号的80% 0V 差动 信号的20% .350mV 　 图 5. 时序图

LVDS电路板设计上的考量 在数字逻辑上，对于高效能模拟数字转换器的LVDS输出部分，应该要以不同于标准LVDS输出的方式来看待。在高速的数字应用方面，即便标准LVDS能够驱动1到10公尺的距离（取决于资料的速率），仍然不建议你让一个高效能模拟数字转换器来驱动如此长的距离。比较建议的方法是将输出走线的长度缩短（＜2英吋），这样可以使得相邻电路羊在输出时所伴随产生的噪音，因而回流至模拟输入端的机率降至最低。差动输出的走线应该要紧密地布线，将100的终端电阻与接收器尽量贴近，将可以让共模互斥尽可能的提高。使用者应该要注意PCB走线的长度，以便降低任何可能的延迟歪斜(delay skew)。 图6所显示的是传统的差动微带(microstrip) PCB 的剖面图。 TW TS TW D TW TS TW 差动对 1 差动对 2 TG 地线　 图 6. PCB 走线布局的空间 　   布局方面的指引 ⊙确保 Tw，Ts以及D的走线长度是固定的 ⊙确保 Ts ~< 2 Tw ⊙尽可能避免使用过孔(vias) ⊙确保 D > 2 Ts ⊙尽可能避免90度转折 ⊙将Tw和TG设计为 ～50  对于这些快速 (< 0.5 ns)边缘变化率而电源供应器的去耦是非常重要的。一个具有低感应系数，能够使用表面黏着的电容器应该要安置在每一处电源供应器以及地线接头的周边，并且尽可能的靠近模拟数字转换器。不建议你在电路板的另一端放置去耦电容，因为通孔电感会使有效去耦的能力降低。每个导体的差动Zo将会有比单端Zo略低两倍倾向，这是原因于近接效应 － 每一条线上的Zo在设计上应该要略微高于50。在关键性的应用上，可以先进行模拟，以便确认阻抗是否匹配。以目前来说，这点还不是那么重要。   其他设计考量 在降低EMI值方面，LVDS也提供了一些好处。由反向电流所产生的EMI磁场会有相互抵销的倾向（以相互搭配的边缘变化率而言）。走线的长度，歪斜失真以及中断，都会降低这个效益，因此应该要尽可能的避免。相对于解多工(demuxed) CMOS 解决方案，在近似的资料速率下，LVDS也提供了较简单的计时限制。解多工资料准流排(demuxed databus) 所需要的同步信号，在LVDS中是不需要的。在解多工CMOS准流排中，需要一个相当于模拟数字转换器取样速率一半值的时脉，再加上成本以及复杂度的增加；这些种种在LVDS中都是不需要的。大体而论，LVDS有较大的容错度，并且能够由客户导引出更简单、更俐落的设计。   总结 在高速信号传输上，藉由降低噪音耦合至转换器核心所造成的影响以及降低EMI值，LVDS所具备的优点可以在转换器的应用上提供更好的效能与系统效益。

补充：

低压差分信号传输 (LVDS) 是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术。 由于其可使系统供电电压低至 2V，因此它还能满足未来应用的需要。 此技术基于 ANSI/TIA/EIA-644 LVDS 接口标准。LVDS 技术拥有 330mV 的低压差分信号 (250mV MIN abd 450mV MAX) 和快速过渡时间。 这可以让产品达到自 100 Mbps 至超过 1 Gbps 的高数据速率。 此外，这种低压摆幅可以降低功耗消散，同时具备差分传输的优点。 

LVDS 技术用于简单的线路驱动器和接收器物理层器件以及比较复杂的接口通信芯片组。 通道链路芯片组多路复用和解多路复用慢速 TTL信号线路以提供窄式高速低功耗 LVDS 接口。 这些芯片组可以大幅节省系统的电缆和连接器成本，并且可以减少连接器所占面积所需的物理空间。LVDS 解决方案为设计人员解决高速 I/O 接口问题提供了新选择。 LVDS 为当今和未来的高带宽数据传输应用提供毫瓦每千兆位的方案。
    
总线 LVDS (BLVDS)

总线 LVDS (BLVDS) 是基于 LVDS 技术的总线接口电路的一个新系列，专门用于实现多点电缆或背板应用。它不同于标准的LVDS，提供增强的驱动电流，以处理多点应用中所需的双重传输。BLVDS 具备大约 250mV 的低压差分信号以及快速的过渡时间。 这可以让产品达到自 100 Mbps 至超过 1Gbps 的高数据传输速率。 此外，低电压摆幅可以降低功耗和噪声至最小化。差分数据传输配置提供有源总线的 +/-1V 共模范围和热插拔器件。 

BLVDS 产品有两种类型，可以为所有总线配置提供最优化的接口器件。 两个系列分别是：

线路驱动器和接收器 
串行器/解串器芯片组
 
总线 LVDS 可以解决高速总线设计中面临的许多挑战。 BLVDS 无需特殊的终端上拉轨。 它无需有源终端器件，利用常见的供电轨（3.3V 或 5V），采用简单的终端配置，使接口器件的功耗最小化，产生很少的噪声，支持业务卡热插拔和以 100 Mbps 的速率驱动重载多点总线。 总线 LVDS产品为设计人员解决高速多点总线接口问题提供了一个新选择。

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RGB色彩传感器工作原理及应用方案分析（转）

尽管人眼区分色彩的能力非常强，但不同的人在描述同一色彩时会有所不同，这意味着在要求精确的色彩检测和管理的应用中，口头描述是不够的。更好的解决方案是使用充分校准的色彩传感设备，以数字方式描述色彩。这些设备包括昂贵的实验室级分光光谱仪到经济的RGB色彩传感器(如安华高科技生产的色彩传感器)。安华高科技拥有各种色彩传感器，为当前许多实际色彩传感和测量应用提供了实用的解决方案。本文的目标是考察色彩感知、测量和规格、以及怎样应用色彩传感器生成的数据。最后，本文讨论了安华高科技的RGB色彩传感器产品及其怎样为各种色彩传感应用服务。

色彩的感知

在进入电子设备怎样传感色彩的理论之前，有必要了解人类是怎样感知色彩的。色彩是光源、物体和观察者之间交互的结果。在反射的光中，落在一个物体上的光会被反射或吸收，具体取决于表面特点，如反射系数和透射情况。例如，红纸会吸收光谱中大多数带绿色的部分和带蓝色的部分，同时反射光谱中带红色的部分，因此对观察者会表现为红色。在自己发光的物体中，其原理相同：光会到达人眼，然后由眼睛的接受器进行处理，由神经系统和大脑进行解释。

人类视觉系统可以检测到从大约400nm(紫色)到大约700nm(红色)的电磁光谱，可以适应变化广泛的照明度和大量的色彩饱和度(纯粹的颜色在白色中所占的比例)。虽然杆状细胞是能够在广泛的照明度上工作、并对变化提供快速响应的光传感器元件，但这些杆状细胞却无法检测色彩。称为锥状细胞的光传感器元件提供高分辨率的色彩图像。共有三个锥状细胞，在不同波长上实现峰值灵敏度，其分别是红色(580nm)、绿色(540nm)和蓝色(450nm)。可视光谱内任何波长的光都将会在不同程度上刺激这三类锥状细胞中的一个或多个单元，我们感觉到的色彩则是我们的视觉神经和大脑处理的信息。

很明显，拥有正常色彩视觉的人在看到波长组合相同的光时，基本上会感觉到相同的色彩。科学试验表明，人类可以区分非常细微的色彩差异，估计最高可以达到1000万种，问题是我们没有足够的词来描述所有这些有着细微差异的色彩。

色彩测量的原理

图1.1显示了与使用仪器或传感器进行色彩测量相比，人眼检测色彩的基本原理。传感设备可以是高端设备，如分光光谱仪或英国国际照明委员会(CIE)校准的摄像机，也可以是低端设备，如RGB色彩传感器等。

测量仪器通常分为两大类：色度分析方法和测光方法。在使用色度分析方法时，设备使用具有三个滤波器的传感器测量来自物体的光(图1.1b)。正常情况下，传感器廓线经过优化，因此与人眼响应非常相似。输出采用CIE三重刺激值表示：X, Y, Z。

测光方法(图1c)使用各种各样的传感器，在大量的窄波长范围内测量色彩。然后，仪器的微电脑通过对得到的数据求积分，计算三重刺激值。

安华高科技的色彩传感器(图1d)是三滤波器设备，提供了色度分析测量功能。传感器输出由电压输出VR, VG,和VB或模拟数字转换后的R, G和B数字值组成。

图1a

图1b

图1c

图1d

色彩传感器的工作原理

色彩传感器分为三种不同类型：光到光电流转换，光到模拟电压转换，光到数字转换。前者通常只代表实际色彩传感器的输入部分，因为原始光电流的幅度非常低，总是要求放大，以将光电流转换成可用的水平。所以，最实用的模拟输出色彩传感器至少会有一个跨阻抗放大器，并提供电压输出。

光到模拟电压色彩传感器由色彩滤波器后面的光电二极管阵列与整合的电流到电压转换电路(通常是跨阻抗放大器)组成，如图1.2所示。落在每个光电二极管上的光转换成光电流，其幅度取决于亮度及入射光的波长(由于色彩滤波器)。

图1.2: 采用光到模拟电压转换的色彩传感器

如果没有色彩滤波器，典型的硅光电二极管会对从超紫色区域直到可视区域的波长作出响应，在光谱接近红外线的部分，峰值响应区域位于800nm和950nm之间。红色、绿色和蓝色透射色彩滤波器将重塑和优化光电二极管的光谱响应。正确设计的滤波器将对模仿人眼的滤波后的光电二极管阵列提供光谱响应。三个光电二极管中的每个光电二极管的光电流会使用电流到电压转换器，转换成VRout、VGout和VBout。

有两种色彩传感模式：反射传感和透射传感。

反射传感

在反射传感中，色彩传感器检测从某个表面或对象反射的光，光源和色彩传感器都放在目标表面附近。来自光源(如白炽灯或荧光灯、白色LED或校准后的RGB LED模块)的光弹跳离开表面，被色彩传感器测得。反射离开表面的色彩与表面的颜色有关。例如，白光入射到红色表面上，会反射为红色。反射的红光撞击色彩传感器，产生R, G和B输出电压。通过解释三个电压，可以确定色彩。由于三个输出电压与反射光的密度线性提高，因此色彩传感器还可以测量表面或物体的反射系数。

图1.3: 反射的光的颜色取决于表面反射的颜色和吸收的颜色。

透射传感

在透射工作模式下，传感器朝向光源。色彩传感器搭配滤波器的光电二极管阵列将入射光转换成R, G和B光电流，然后放大并转换成模拟电压。由于所有三个输出都会随着光密度提高而线性提高，因此传感器可以同时测量光的颜色和总密度。

可以使用透射传感，确定透明介质的颜色，如玻璃和透明塑料、液体和气体。在这种应用中，光穿过透明介质，然后撞击在色彩传感器上。透明介质的颜色取决于对色彩传感器电压的理解。

图1.4: 传感器的R, G和B 输出取决于落在传感器上的光的颜色。

图1.5: 透明介质的色彩传感，如色彩滤波器、液体或气体。

解释色彩传感器值

可以使用色彩传感器的三个模拟输出电压直接控制硬件，或转换成数字值，从而数字处理器能够分析数据。然后可以从这些数字值中获得色彩和亮度信息。

描述色彩和亮度有两种方法。

a) 矩阵方法

如果需要区分多种色彩，那么适合采用这种方法。这种方法基于下面给出的矩阵：

其中X, Y, Z代表CIE三重刺激值，RGB代表色彩传感器的数字值。

将测量已知的参考色彩集合，对每个标准X, Y, Z值获得R, G, B 传感器值。矩阵系数C00, C01, C02, C10, C11, C12, C20, C21和C22从这些已知标准值中确定。一旦确定了这些矩阵系数，那么可以从R, G,和B 数字传感器值中计算得出未知色彩的X, Y, Z值。

b) 查表方法

如果要区分少量的参考色彩，适合采用这种方法。首先，在校准过程中获得每个色彩的参考色彩传感器值，其中包括亮度信息。必须确定亮度信息是否重要。如果亮度信息重要，理解中会使用实际色彩传感器值。

如果亮度对应用不重要，那么在校准过程中将对参考色彩及在测试过程中对未知色彩获得红色、绿色和蓝色传感器值的比率或比重。使用一个选定的色彩通道作为所有测量集合的基础，来获得比率。例如，如果选择绿色通道，那么通过将传感器测量值除以相应的绿色通道值，来获得比率，因此得到的绿色通道值一直是1。我们演示一下，如果集合(Rn, Gn, Bn)，n=1, 2, 3…N表示所有N个参考色彩的色彩传感器测量结果，那么通过下述集合得出比率：

，n=1,2,3, ...N。

也可以使用红色或蓝色通道值作为除数。选择使用哪条色彩通道与用户偏好有关。

如果未知色彩距离某个参考色彩最近，也就是说，如果未知色彩与该特定参考色彩之间的距离在未知色彩与所有其它参考色彩之间的所有其它距离中最短，那么可以确定未知色彩就是参考色彩。

未知色彩和参考色彩之间的距离使用下面的公式得出：

a) 在亮度重要时

b) 在亮度不重要时

注意：1. (Ru, Gu, Bu)是未知色彩传感器值；

2. (Rr, Gr, Br)是参考色彩传感器值；

3. 在亮度不重要时，一条传感器通道的值(如绿色通道)作为除数。

将为每个参考色彩确定最大距离极限，以避免接受不属于参考色彩列表的色彩。这个最大极限对每个参考色彩可以不同，具体视要求的准确性而定。

色彩传感器的类型比较

光到光电流转换器

光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，将光转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成成比例的电压输出，然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。

优点：

- 设计灵活。可以针对各个应用订制放大器的增益和带宽及模拟数字转换器的速度和分辨率

缺点：

- 增加了组装成本

- 提高了设计复杂程度

光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。

光到模拟电压转换器

光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送到数字信号处理器。

优点：

- 简化外设电路设计

- 改善空间利用效率

- 降低组装成本

缺点：

- 响应时间预先由内置电流到电压转换器确定，如跨阻抗放大器

- 要求额外的模拟数字转换器，将电压输出转换成数字格式

光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。

光到数字电压转换器

光到数字电压转换器由搭配RGB滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路，如2线串行接口，以进一步处理信号，而不需额外的器件。

优点：

- 提供抗噪声干扰能力

- 简化外围电路设计

- 改善空间利用率

- 降低组装成本

缺点：

- 只通过2线串行接口模块提供到微控制器或PC的直接接口

- 响应时间由内置模拟电路和数字电路预先确定

- 预先确定模拟数字转换分辨率

光到数字转换器适合要求抗噪声能力、缩短设计周期、加快产品开发周期及光线条件和空间利用率设计精良的应用。

安华高科技的色彩传感器系列

安华高科技提供广泛的色彩传感器产品，适合显示、照明、工业、消费电子和医疗市场中的各种应用。它同时提供了模拟格式和数字格式的解决方案。

模拟RGB色彩传感器

- 搭配RGB滤波器的光电二极管阵列

- 整合跨阻抗放大器，提供线性模拟电压输出

- 为R, G和B通道独立选择增益

- 分为模块级和元器件级

数字RGB色彩传感器

- 搭配RGB滤波器的光电二极管阵列

- 整合模拟数字转换器和数字核心，通过2线串行接口进行通信

- 直接接口微控制器或其它逻辑控制

- 软件程控增益和灵敏度控制

- 微型包装，适合便携式设备

表1.0: 发布的色彩传感器产品简要技术数据

安华高科技RGB色彩传感器的优点

丰富的色彩传感设备：安华高科技提供各种色彩传感设备，包括裸硅光电二极管到完善的RGB色彩传感器。对首选使用市面上流行的即插即用解决方案的客户，整合的RGB色彩传感器将是正确的选择。希望灵活地设计自己的光电流到电压转换器和模拟数字转换电路的客户，可以购买光电二极管。

简化外围电路设计：安华高科技RGB色彩传感器是一款内置电流到电压转换器的整合的解决方案。输出采用模拟格式或数字格式提供，具体取决于选择的色彩传感器类型。这可以简化外围电路设计，从而降低整个产品的设计周期。

设计灵活：安华高科技RGB色彩传感器为R, G和B色彩通道提供内置独立增益选择。对低亮度操作，可以选择较高的增益；对高亮度应用，可以选择较低的增益。产品资料中详细介绍了每台设备的整体动态范围。

改善空间利用率：安华高科技提供微型封装的传感器，适合便携式设备应用。

降低对不准和污染的影响：每个安华高科技RGB色彩传感器都搭配统一的色彩滤波器阵列，可以大幅度降低偏差和污染所造成的问题。

实现极端温度操作：安华高科技提供可以涵盖极端工作温度的产品，即-40 °C到+85 °C。

无铅产品：所有安华高科技色彩传感器都符合无铅和ROHS标准。

目标市场

汽车市场

安华高科技为下述汽车应用提供具有AEC三级资格的部件：

o 导航面板

o 气氛灯

o 仪表盘照明

照明市场

安华高科技为照明和显示应用提供在不同时间和不同温度下拥有稳定的灵敏度的传感器：

o 建筑照明

o 装饰照明显示

o 内部照明

o 橱窗照明

实例：橱窗照明

功能：控制环境亮度的影响

o 色彩传感器安装在光学反馈控制系统中

o 光源色彩点管理，实现LED色彩强度控制

o 耐用，能够在不同时间和不同温度下稳定地工作

o 可与安华高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器专利技术结合使用，形成闭环色彩管理系统

实例：装饰照明

o 使用色彩传感器测量LED亮度随时间变化情况，提供光学反馈，控制光源的色彩点

o 可与安华高科技HDJD-J822-SCR00色彩控制器专利技术结合使用，形成闭环色彩管理系统

工业市场

安华高科技提供一系列RGB色彩传感器，满足各种工业应用要求，如：

o 包装：标签检查和识别

o 化妆品：产品组装分离，色彩质量

o 纺织：纱线污染检测

o 印染/图形打印

实例：纱线污染检测

- 色彩传感器安装在纱线生产线中，检测是否有污染

- 在检测到污染时系统会自动停止

- 减少人为错误，改善准确性和效率

医疗市场

安华高科技提供灵敏度和准确性高的色彩传感器，满足医疗应用需求，如：

o 血糖计

o 血液胆固醇计

o 血酮计

实例：化学分析96井板系统

功能：微型并行液相色谱(μPLC)化学测试分析仪

o 放置四个色彩传感器，提供化学反应的色彩检测

o 自动瞬时检测色彩变化

o 消除人为错误

o 色彩区分准确性高，非常可靠

消费电子市场

安华高科技提供经济的RGB色彩传感器，满足消费电子市场中不断增长的需求：

o 便携式色彩阅读器

o 自动麻将桌

o 洗衣机中的干燥检测器

o 游戏

实例：麻将自动洗牌

o 使用色彩传感器管理“麻将牌方向检查”；

o 传感、对比和重新排列两面都朝上或都朝下的麻将牌；

o 完整的闭环系统接口，对麻将牌的重新排列进行逻辑判断；

o 消除手动洗牌和可能的欺骗。

安华高科技配有RGB色彩传感器的照明和色彩管理系统

安华高科技 RGB色彩传感器 (HDJD-S831-QT333)可与安华高科技色彩控制器HDJD-J822-SCR00一起使用，构成RGB LED光源管理系统。色彩管理应用需要准确地混合红色、绿色和蓝色LED输出，来显示色彩。必需定期调节混合率，保持一致准确的色彩，而不管LED亮度变化和LED元件色彩位移如何。HDJD-J822是一种色彩控制器，用于处理色彩传感器信息，保持色彩和亮度。如需详细信息，请参阅应用指南AN 5070。

本文小结

对需要经济的解决方案和设计周期短的应用领域，安华高科技整合的RGB色彩传感器解决方案克服了从头设计色彩传感器所固有的挑战。安华高科技还提供了一个光电二极管级解决方案，为首选设计自己的色彩传感系统服务。通过在强健的无铅封装中提供广泛、经济的色彩传感器产品，安华高科技成为色彩传感行业中的一站式供应商。如需与安华高科技色彩传感解决方案相关的更多信息，请与分销商联系，或访问安华高科技公司网站http://www.avagotech.com。

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