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ADI:不打折扣的光学集成

2020-10-10 11:42 次阅读

作者:János Pálhalmi博士,DataSenseLabs Ltd.首席执行官 ,Jan-Hein BroedersADI公司业务开发经理

光电容积脉搏波(PPG)是测量血氧饱和度(SPO2)水平的常用技术。使用光发射器向人体发射光,然后使用光接收器测量反射或未吸收的光的数量。根据两段波长的比值,可以测量氧合血红蛋白的数量。类似技术也被用于测量心率(结合光学技术)或心率变异性。

所有这些系统都需要使用一个或多个光发射器(需要控制),以及一个光电探测器来测量光电流量,由此测量接收到的光量。这个接收信号最终需要放大、调节,并数字化。听起来这种光学系统似乎非常简单;但是,在缺少光学知识的情况下,很容易检索到与用户寻找的信号毫不相关的光学信号。

为了帮助公司达成光学目标,我们新推出了一款全集成式光学模块。该模块经过测试并与成熟的分立式光学系统进行对比,结果相当出色。我们将详细介绍本次测试的结果和所用方法。

PPG测量理论和介绍

随着对家庭健康、保健和预防的关注提高,围绕智能设备形成了一个新的市场,用于跟踪多项生命体征参数。首先是胸带,该设备使用生物电势技术来监测心率,但最近的5到8年,市场普遍转向光学系统,开始利用光电容积脉搏波(PPG)。这项技术的一大优点是我们可以在人体上取一个点进行测量,而生物电势系统最少需要使用两个电极才能对心脏实施测量。对用户而言,这不是很方便,因此,对光学心率监测(HRM)和心率变异性(HRV)监测的关注急剧增加。

在设计这样的系统之前,需要先搞清楚几个问题。最终应用是什么?您想要在人体的哪个部位实施测量?您有多少时间来开发系统?根据这些问题的答案,设计人员可能采用不同的设计路径。

测量PPG采用两种不同的原则。您可以让光通过身体的某个部位,例如手指或耳垂,然后在反面测量接收到或未吸收的光量;或者,在身体的同一侧发射光并测量反射的光量。与反射系统相比,测量通过人体的光量得出的信号量大约多出40 dB至60 dB;但是,采用反射系统时,您可以随意选择放置传感器的位置。

ADI:不打折扣的光学集成

图1.光学HRM/HRV系统的典型框图

由于大部分用户更重视传感器舒适度,而不是性能,所以反射测量方法更受欢迎。所以,本文只介绍反射测量技术。

心脏跳动期间,心脏系统中的血流量发生变化,导致接收到的反射光发生散射。用于测量光学HRM/HRV的光源的波长不止取决于人体测量点,还取决于相对灌注水平,以及组织的温度和色调。一般,对于腕戴式设备,动脉不位于手腕顶端,您需要从皮肤表层下的静脉和毛细血管来检测脉动分量。在这种情况下,绿色光表示最佳结果。在有足够血液流动的位置,例如上臂、太阳穴或耳道,使用红色光或红外光可能更有效,它们可以更深入地穿透组织,给出更强劲的接收信号。

ADPD188 游戏规则正在改变?

在权衡考虑时,如传感器位置和LED波长,您需要选择最合适的光学解决方案。关于模拟前端有很多选择,可以选择分立式或全集成式,也提供大量光电探测器和LED可供选择。关键在于发射器和接收器的放置方式有利于每毫安发射电流获取最大量的接收信号。这就是所谓的电流传输比,通常用nA/mA表示。在光学系统中,调制指数同样重要,它是交流信号相对于光学直流偏置的量。增大光传感器和LED之间的距离时,调制指数增大。在光电探测器和LED之间存在一个最佳点,这也取决于LED波长。在设计不当的机械系统中,LED光可以不穿透人体组织,直接到达光传感器。这会导致直流偏置,对调制指数产生不利影响。它表现为光串扰,也称为内部光污染(ILP)。

为最大程度减轻设计工作量并缩短上市时间,特别是对于缺乏光学知识的公司,ADI公司构建了全集成式光学子系统,用于反射测量。即ADPD188GG,内含进行光学测量所需的全部器件。图2所示为此模块的照片。

ADI:不打折扣的光学集成

图2.ADPD188GG光学子系统

ADPD188GG是一种全新设计的光学模块,与前代模块相比尺寸不同。其外形几乎呈方形,尺寸为3.98 mm x 5.0 mm,总体厚度为0.9 mm。改动最大的部分是光电探测器,与前代产品相比,方向旋转了90°。相对于LED,这种传感器位置可以提供更高的灵敏度。光传感器本身分为0.4 mm2和0.8 mm2。这提供了灵活性,可以增加整体光二极管表面,以实现更高灵敏度,或者可以使用更小巧的检测器来防止传感器达到饱和。光电二极管被放置在模拟前端上面。ADI正在使用独立的ADPD1080AFE。它有4个输入通道,每个通道都围绕具备可选增益(25k、50k、100k和200k)的互阻放大器、环境光抑制块和一个14位SAR ADC设计。环境光抑制在模拟域完成,相比市面上的其他解决方案,性能更为出色。最后,两个绿色LED受集成电流源管控,能够驱动高达370 mA的电流和1 μs窄脉冲,以降低总体的平均电流。封装设计使得发射的LED光在不穿透人体组织的情况下,很难到达光传感器。这可以防止出现光串扰,为用户提供最佳调制指数,即使传感器放置在玻璃或塑料窗口之下。设计光学反射系统时,这个特性非常有用。对于更适合采用发射测量的应用,ADPD188GG可以绕过内部LED,与外部连接的LED配合使用。

与成熟解决方案比较

在开始新光学设计之前,需要先确定目标市场,以及最终产品所需的规格,这非常重要。一般来说,相对于用于体育和保健市场的设备,具有医疗级性能的光学系统规格更高。

ADPD107是一种模拟光学前端,适用于分立式光学系统。在市面光学前端中,它被视为典范产品,凭借出色性能广泛用于多种医疗产品中。DataSenseLabs Ltd.具备与ADPD107相关的丰富经验。但是,由于全集成式光学模块在某些用例中具备一定优势,所以DataSenseLabs Ltd.开始研究这些模块并进行比较分析,比较ADPD107与ADPD188GG集成光学模块之间的性能。接下来,我们将详细介绍测试设置、配置和测试结果。

测试设置和数据收集

为了实施光学比较,我们在2分钟时间里,同时记录ADPD188GG和ADPD107的原始PPG读数。设置ADPD188GG时,使用了标准评估板,而ADPD107是可穿戴演示平台(EVAL-HCRWATCH)内部的光学系统的组成部分。两种系统都由ADI公司的用户界面应用wavetool软件控制。

为了实施测试,对配置设置实施优化,以获得最高的信号质量。我们保留了AFE配置,包括将LED脉冲、时序和互阻增益保持在特定范围,令两种系统保持相同的功耗,以进行公平的比较(参见表1)。

表1.ADPD188GG和典范产品ADPD107之间的光学模块比较

表1显示ADPD188GG LED电流,其数量高达ADPD107设置中LED电流的2倍。原因在于,集成解决方案的光电二极管表面小于分立式解决方案的表面,必须进行补偿。采用两个由3 V电源供电的LED会令整体功耗增加156 μW,与整体功耗相比,几乎可以忽略不计。我们按100 Hz速率对ADC采样,这在可穿戴系统中非常常见。此外,我们按500 Hz采样速率进行测量,该值常用于具备临床性能的系统。

数据记录环境与常规智能手表或健身跟踪器所处的环境相同,只是光学传感器位于手腕上方。由于惯用手和非惯用手皮下层的微循环和血管收缩特性稍有不同,所以两个光学系统会反复记录两只手腕的数据。然后仔细分析和比较从左右手腕收集的数据集,以避免因为放置位置对信号质量产生影响。PPG数据集来源于11位不同的用户(受试者),这些用户都保持坐姿,处于相同的环境光密度条件下。

数据分析和统计

采用比较方法非常重要,因为信号质量验证不止意味着要进行硬科学信号处理、数据分析和统计,还要分析市场和最终用户的期望要求。要在可穿戴市场获得成功,您需要采用定义明确的案例,并且清楚知道通过光学信号想要获得什么样的结果。

光学心率监测器与健身跟踪和健康状况监测应用密切相连,但也有许多将光学技术用于医疗级系统的使用案例。在健身、卫生信息学或与医疗相关的使用案例中,峰值检测算法的精度主要取决于原始数据质量,与PPG信号的局部极大值相关。准确的峰值检测不仅是实施心率或HRV测量的原则,在实施基于PPG血压的估算检测时也极为重要。所以,如果最终提取和计算的PPG信号要用于支持健康类应用,那么设计人员必须选择提供最佳物理信号质量的传感器平台。比较测量配置和数据分析基于János Pálhalmi的生物信号计量专利(待决ID:P1900302)设计和施行。1

最终结果

为了支持峰值检测算法,可以轻松提取和过滤PPG原始数据中的基线波动。同时,如上所述,要提取目标结果,需要峰值在原始数据级别也具备高信号质量。因此,本文重点关注主要频段比较分析,目标是由典范产品ADPD107和新集成的ADPD188GG光学模块测量的PPG信号峰值。信号的主要部分未改动,但非常缓慢的基线波动(《0.25 Hz)和高频分量(》40 Hz)已过滤。

图3.提取单独的PPG波形(局部极大值周围的±125数据点),并彼此重叠比较(蓝色点线)。

波形的总体平均值用红线表示。上图显示了由ADPD188GG和ADPD107分立式解决方案

记录的PPG信号之间的相似性。

计算子波相干性和相关比较,以比较最主要频率范围内两个信号之间的稳定性。图3显示,两种PPG系统在单个波形及其平均值上的结果模式几乎相同。

为了继续在更深层次的数据水平上比较,我们采用了两种不同的基于相关性的方法。计算每个即将推出的PPG波形之间的相关系数和P值(R、P)。还可以通过比较每个单独的PPG波形与平均值来测试另一种信号差异。

基于综合相关测试,我们可以得出结论:两种接受比较的PPG系统之间不可能出现巨大差异,不论是在单个波形级别,还是单个波形与平均值的比较级别。

子波方法对特定频段内的差异非常敏感。因此,我们计算了子波相干性函数,以比较两种PPG信号。基于所有11位受试者的分析结果,两个信号的频率域或相位域之间不存在明显差别(参见图4)。

图4.两个接受比较的PPG信号的总体平均值之间的幅度方波相干性由时间域和频率域中的颜色强度图表示。箭头方向与信号之间的相位差成正比。方向向右的水平信号表示信号之间不存在相位差。1

开发新产品时,查看特定的频段也可能有用,这些频段提取自给定信号,可用于优化产品规格。

在本测试中,在所有相关频率范围内,对接受比较的两种PPG系统之间的幅度方波相干性的基础统计特性进行分析,如图5所示。整个频谱被分为6个特定的频率范围,以分析各信号之间的相似性差异。

对于所有11位受试者,在PPG信号峰值周围的所有频段内,其相干性值都高于0.95,这表示,典范产品和新集成的ADPD188GG之间相似度非常高。

图5.幅度方波子波相干性值的描述性统计特性在4个相关频率范围(0 Hz至20 Hz)内显示。1

结论

ADPD188GG是ADI公司一款全集成式光学模块,用于测量心率、心率变异性和氧饱和度,并监测连续的血压估算。由于该模块将光学和电子器件都集成在微型封装内,所以可以帮助缺乏光学知识的设计人员和公司缩短总设计周期。该模块针对采用反射测量方法,且波长为525 nm的应用实施优化;但是,外部LED也可用于在不同波长下测量,或基于发射原理测量。我们已经证明,集成系统不妨碍我们满足院外系统或临床系统中各个使用案例需要的规格。

参考资料

1 János Pálhalmi。生物信号计量专利,P1900302。

作者简介

DataSenseLabs Ltd.的János Pálhalmi博士是一名神经科学家、计量学家,拥有健康科学学位。作为一名编程人员,他专注于生物信号处理和数据分析。János在电生理学和光学生物传感器信号分析方面拥有20多年的经验,涉及分子和细胞水平分析以及人类健康相关应用。

从2017年底开始,他和他的公司DataSenseLabs Ltd. (datasenselabs.net)一直与ADI公司的医疗健康业务部门在可穿戴生物信号评估和分类领域展开合作。他的目标是帮助合作伙伴在健康状态监测应用中找到适合预防预测的高质量解决方案。

Jan-Hein Broeders是ADI公司负责欧洲、中东和非洲市场医疗健康业务的开发经理。他与医疗健康行业密切合作,将他们现在和将来的需求转化为各种解决方案,这些方案基于ADI公司市场领先的线性和转换器技术和数字信号处理与电源产品。20多年前,Jan-Hein开始从事半导体行业,担任ADI公司的现场应用工程师,自2008年起开始担任目前的医疗健康部门职务。他拥有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。

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电化学气体传感器的普及可以归因于其线性输出、低功耗要求和良好的分辨率。此外,一旦根据目标气体的已知浓....
发表于 10-09 15:44 430次 阅读
ADI:解决电化学气体检测的技术挑战

iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

GaN晶体管支持大多数包含单独功率因数校正(PFC)和DC-DC部分的AC/DC电源:前端、无电桥P....
发表于 09-28 15:15 400次 阅读
iCoupler技术为AC/DC设计中的氮化镓(GaN)晶体管带来诸多优势

相比于ADI的AD9371单芯片 FSOC的优势是什么呢?

Q1,相比于ADI的ADRV9009或AD9371这种单芯片的解决方案,RFSOC的优势是什么呢? ....
的头像 电子发烧友网工程师 发表于 09-27 14:23 513次 阅读
相比于ADI的AD9371单芯片 FSOC的优势是什么呢?

Evonetix与ADI公司合作开发基于微机电系统(MEMS)的硅芯片

EVONETIX LTD(“Evonetix”)——从事可扩展、高保真度和快速基因合成桌面平台开发的....
的头像 亚德诺半导体 发表于 09-27 12:04 569次 阅读
Evonetix与ADI公司合作开发基于微机电系统(MEMS)的硅芯片

求一份STM32用的ad9910源码

手上有块ad9910,找商家要了资料但是例程还是跑不起,不知道哪里出问题了,想找一个能用的源码,测一下是软件问题还是硬件问题,...
发表于 09-17 15:39 237次 阅读
求一份STM32用的ad9910源码

ADXL372数据读取问题

芯片ID能正常读取,    设置为全带宽测量,高通、低通滤波器都disable掉,不使用FIFO ADXL372能够正常写入...
发表于 09-03 09:21 101次 阅读
ADXL372数据读取问题

AD多人协作pcb设计

AD10多人协作参数设置过程详解 [table=98%] [/table] ...
发表于 08-28 09:23 298次 阅读
AD多人协作pcb设计

手机中的MEMS传感单元可帮助于更精确的室内定位

现今,人们日常生活、外出旅游经常使用手机导航系统。但是,在一些如在地下空间、经过隧道等环境下手机导航会接受不到信号或是卡...
发表于 08-20 06:29 202次 阅读
手机中的MEMS传感单元可帮助于更精确的室内定位

HFBR-2506AMZ 适用于SERCOS应用的16 MBd光接收器,1x4,符合RoHS标准

符合RoHS标准的发射器和接收器采用低成本,双列直插式封装,由高强度,耐热,耐化学腐蚀和UL 94V-O制成( UL文件#E121562)阻燃塑料。发射器和接收器都涂有一层导电合金,以提高空气放电(ESD)性能。该封装专为自动插入和波峰焊接而设计,因此非常适合大批量生产应用。特性 符合RoHS标准 符合工业SERCOS 16MBd标准 SMA端口 650 nm波长 金属涂层塑料包装 指定用于1 mm POF和200μmHCS DC - 16 MBd数据速率...
发表于 07-04 11:05 144次 阅读
HFBR-2506AMZ 适用于SERCOS应用的16 MBd光接收器,1x4,符合RoHS标准

HFBR-2506AFZ 用于SERCOS应用的16MBd金属外壳光接收器,带SMA端口,符合RoHS标准

HFBR-2506AFZ是用于SERCOS应用的金属外壳光接收器,允许数据速率为2,4,8和16 MBd。金属外壳提供坚固的设计,可防止恶劣环境中的光学端口破损,并具有出色的ESD性能。光学数据通过光纤环在数字控制和驱动之间传输,具有电压隔离和抗噪能力。 HFBR-2506AFZ设计用于与变送器HFBR-1506AFZ一起工作。该部分的特点是200微米的HCS®和1mm POF电缆,适用于-40°C至+ 85°C的宽工作温度 特性 符合RoHS标准 符合工业SERCOS 16MBd标准 适用于DC - 16MBd数据速率的应用 SMA端口 650nm波长 金属外壳,坚固耐用,适用于恶劣环境应用 指定用于1mm POF和200um HCS 扩展工作温度-40°C至+ 85°C 应用 工业控制数据链接 工厂自动化数据链接 电压隔离应用...
发表于 07-04 11:03 127次 阅读
HFBR-2506AFZ 用于SERCOS应用的16MBd金属外壳光接收器,带SMA端口,符合RoHS标准

HFBR-2416TCZ 具有导电ST螺纹端口的工业应用光接收器,符合RoHS标准

具有导电ST螺纹端口的工业应用光接收器,符合RoHS标准 应用 计算机到外设链路 计算机监视器链接 数字交叉连接链接 调制解调器和多路复用器 适用于暴风雨系统 Industrial控制链接  
发表于 07-04 11:01 104次 阅读
HFBR-2416TCZ 具有导电ST螺纹端口的工业应用光接收器,符合RoHS标准

HFBR-2416MZ 用于工业应用的光接收器,带金属ST端口,符合RoHS标准

HFBR-0400Z系列组件旨在为工业,发电,配电,医疗,运输和游戏应用提供经济高效的高性能光纤通信链路。 HFBR-2416xxZ光纤接收器系列设计用于Broadcom HFBR-14x4Z光纤发射器系列,最高可达160MBd。该部分的特征在于50 /125μm,62.5 /125μm,100 /140μm,和200μm的HCS®光纤电缆。 此产品还有其他流行的行业标准连接器:SMA。 功能 符合IEEE 802.3以太网和802.5令牌环标准 低成本接收器 数据速率高达160MBd 链路距离高达2.7km 使用50/125指定µ m,62.5 / 125µ m,100/140µ m和200 mm HCS Fiber 宽工作温度范围-40C至+ 85C 独特的光端口设计高效耦合 可自动插入和波形可焊接 无需安装硬件板 选项: - HFBR-2416MZ(金属ST端口) - HFBR-2416TCZ(导电ST螺纹端口) - HFBR-2416TZ(塑料ST螺纹端口) - HFBR-2416Z(塑料ST端口) 金属和导电端口的优势: 如果机箱暴露在电气噪声中,请保持信号接地的完整性。此外,当金属和导电端口与良好接地的机箱良好电接触时,它可以为电噪声电路提供额外的EMI屏蔽。...
发表于 07-04 11:01 221次 阅读
HFBR-2416MZ 用于工业应用的光接收器,带金属ST端口,符合RoHS标准

SPD2020 25-Gb / s GaAs PIN光电二极管

Broadcom® SPD2020是一款台面结构的基于GaAs的PIN光电二极管,可为高带宽,高性能光接收器设计提供高响应度,低暗电流和低电容。光电二极管的低寄生效应使其成为高速,多模25-Gb / s应用的理想选择,与当今的高性能25 Gb / s单通道跨阻放大器(TIA)相结合。 SPD2020还提供1× 4阵列(SPD2020-4X)和1× 12阵列(SPD2020-12X)版本。 SPD2020具有比类似SPD2025(32μm)稍大的孔径(38μm),以允许更容易的光学对准公差。...
发表于 07-04 10:54 227次 阅读
SPD2020 25-Gb / s GaAs PIN光电二极管

SPD2014-4X GaAs 1×4阵列PIN光电二极管

SPD2014-4X是一款台面结构,基于GaAs的1× 4 PIN光电二极管阵列,具有高响应度,低暗电流和低电容,适用于高带宽,高电容性能光接收器设计的速率范围为4x10Gb / s(40Gb / s)至4x14Gb / s(56Gb / s)。孔径大小足以容易地允许使用需要更大光斑尺寸的多模光纤的设计。同样的设备也有各种其他尺寸的阵列,从1× 1到1× 12(参见SPD2014和SPD2014-12X作为示例)。
发表于 07-04 10:54 135次 阅读
SPD2014-4X GaAs 1×4阵列PIN光电二极管

LPD3030-4-P750 28-Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,通道间距为750μm

LPD3030-4-P750是一款高性能1倍&4 InGaAs PIN光电二极管阵列,提供四通道高响应度,通道间距(间距)为750m,低用于高带宽,高性能光接收器设计的暗电容和低电容。光电二极管的低寄生效应使其成为高速,单模,4x28Gb / s应用的理想选择,与当今的高性能4x28Gb / s四通道跨阻放大器(TIA)相结合。 750微米的通道间距允许使用宽间距和跨阻放大器的解复用光学组件,这需要超低串扰。 P750版本基于Cosemi经过现场验证的合格高性能LPD3030-4,间距为250微米。...
发表于 07-04 09:47 142次 阅读
LPD3030-4-P750 28-Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,通道间距为750μm

LX3050 14-Gb / s InGaAs PIN光电二极管

LX3050是一款InGaAs / InP PIN传统光电二极管。 LX3050是高带宽1310nm和1550nm光网络应用的理想选择。 LX3050光电二极管具有高响应度,低暗电流和低电容,适用于高带宽,高性能光接收器设计。 LX3050光电二极管以裸片形式提供,使制造商能够灵活定制设计。
发表于 07-04 09:47 157次 阅读
LX3050 14-Gb / s InGaAs PIN光电二极管

AC1351 用户设计的3B系列模块,外壳和连接器

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情The AC1351 is a kit which contains a individual blank case and connectors to enable the construction of a user-designed 3B-type module using their own PC board and design.
发表于 04-18 19:15 44次 阅读
AC1351 用户设计的3B系列模块,外壳和连接器

AC1350 用户设计的3B系列模块

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual
发表于 04-18 19:15 283次 阅读
AC1350 用户设计的3B系列模块

AC1341 6英尺直流电源线

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发表于 04-18 19:15 90次 阅读
AC1341 6英尺直流电源线

AC1342 电流转换电阻

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发表于 04-18 19:15 89次 阅读
AC1342 电流转换电阻

AC1324 模拟I/O用接口板

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发表于 04-18 19:15 166次 阅读
AC1324 模拟I/O用接口板

AC1310 3B系列定制范围调整模块

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发表于 04-18 19:15 124次 阅读
AC1310 3B系列定制范围调整模块

AC1330 19英寸机架安装套件

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发表于 04-18 19:15 140次 阅读
AC1330 19英寸机架安装套件

AC1331 16通道表面安装套件

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发表于 04-18 19:14 102次 阅读
AC1331 16通道表面安装套件

AC1332 8通道表面贴装套件

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发表于 04-18 19:14 94次 阅读
AC1332 8通道表面贴装套件

AC1307 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC (+800/-225mA)和+24V DC (350mA)输出

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发表于 04-18 19:14 120次 阅读
AC1307 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC (+800/-225mA)和+24V DC (350mA)输出

AC1301 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC、±350mA输出

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统产品详情AC1301是一款AC/DC双输出、±15 V DC电源,提供±350 mA的电流。利用附带的安装夹和硬件,可以将其安装在3B01、3B02或3B03背板上。工作温度范围为-25°C至+70°C。
发表于 04-18 19:14 115次 阅读
AC1301 3B系列电源、115V交流输入、±15V DC、±350mA输出

AC1315 I / O背板电缆

信息产品分类接口和隔离 IOS子系统Additional 7B Resources: Accessories and Backplanes Sales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World
发表于 04-18 19:14 126次 阅读
AC1315 I / O背板电缆