在設(shè)計用于準(zhǔn)確監(jiān)測和控制重要電氣參數(shù)（包括電流、電壓和功率）的系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 使用同步采樣來監(jiān)測和控制電壓和電流。速度和精度是其中一些重要的參數(shù)，它們有助于更大限度提升信號鏈的性能。此外，通道密度更高的 ADC 有助于縮小電路板尺寸，并增加通過給定電路板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這篇技術(shù)文章將介紹精度更高且速度更快的 ADC 如何在自動化半導(dǎo)體測試儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和高端線性編碼器等站點數(shù)量較多的系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的精度和更高的吞吐量。
自動化半導(dǎo)體測試儀
通道密度在半導(dǎo)體測試設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在自動化存儲器測試設(shè)備。通道密度越高，測試設(shè)備能夠容納的測試站點就越多，受測半導(dǎo)體元件吞吐量也越高。采用封裝尺寸更小、通道數(shù)量更多的 ADC 能夠提高可實現(xiàn)的通道密度。然而，即使通道數(shù)量很高，優(yōu)化 ADC 的帶寬和穩(wěn)定時間也很重要。更高的帶寬和更短的穩(wěn)定時間可以縮短信號吞吐時間，從而縮短自動化半導(dǎo)體測試設(shè)備的總體測試時間。存儲器測試儀通常是多路復(fù)用系統(tǒng)，這需要 ADC 具有快速響應(yīng)時間，以快速捕獲多路復(fù)用器輸出上的數(shù)據(jù)。
圖 1 展示了存儲器測試儀中 ADC 配置的電路圖，而表 1列出了德州儀器 ADS9817 的穩(wěn)定時間和帶寬模式。其中，ADS9817 是一款采用 7 mm x 7 mm 封裝的 18 位八通道雙路同步采樣 ADC。
圖 1：存儲器測試儀的 ADC 配置電路
表 1：ADS9817 帶寬模式
ADC 的總體未調(diào)整誤差 （TUE） 是影響測試設(shè)備性能及其相關(guān)校準(zhǔn)方法的另一個因素。高精度器件可以提高系統(tǒng)設(shè)計的整體精度并降低校準(zhǔn)要求。ADS9817?具有較低的積分非線性 （INL） 和超低溫漂，失調(diào)電壓漂移為 0.5 ppm/°C，增益漂移為 0.7 ppm/°C。這些規(guī)格可以降低 TUE，從而減少了測試儀的校準(zhǔn)工作量并提高了其性能。表 2?詳細(xì)介紹了 ADS9817 器件的 TUE。
表 2：ADS9817 在各種工作條件下的測量精度
數(shù)據(jù)采集設(shè)備
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要寬帶寬、無混疊精密信號鏈來測量無阻尼加速計或?qū)拵掚娏鱾鞲衅鞯雀哳l傳感器的輸出。為了在寬動態(tài)范圍內(nèi)準(zhǔn)確采集快速瞬態(tài)信號，需要使用高速精密 ADC。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要大約 20 MSPS 的 ADC，才能準(zhǔn)確采集它們可能遇到的各種信號。ADS9219 在 20 MSPS 時提供 95 dB 信噪比。
圖 2 所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路方框圖。集成式 ADC 驅(qū)動器簡化了前端放大器的帶寬要求。這一增強(qiáng)功能使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠提供高精度和寬帶寬。在 ADC 接收到模擬信息后，數(shù)據(jù)采集軟件會處理數(shù)字化數(shù)據(jù)并將其輸出給用戶。
圖 2：用于數(shù)據(jù)采集的 ADC 配置電路圖
線性編碼器
模擬增量編碼器輸出 1 Vpp 正弦和余弦信號，這些信號由 ADC 在伺服驅(qū)動器中進(jìn)行數(shù)字化。正弦和余弦信號的插值為伺服驅(qū)動器提供電機(jī)的位置和速度。為了準(zhǔn)確地完成這些信號的插值，需要兩個同步采樣通道。具有高精度要求的電機(jī)控制終端設(shè)備（如激光干涉儀或高端線性編碼器）可以利用正弦和余弦電機(jī)法測量快速運動的電機(jī)并執(zhí)行精確的運動。編碼器的輸出信號頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，因此高端線性編碼器需要具有高采樣速率的 ADC。
ADS9219 和 ADS9218?分別是 20 MSPS 或 10 MSPS 的雙通道同步采樣 ADC，非常適合測量編碼器的正弦和余弦輸出。THS4541 是一款高速全差分放大器，可用作低功耗、高性能 ADC 驅(qū)動器。這些器件非常適合用于正弦和余弦電機(jī)控制，因為這些 ADC 能夠通過高帶寬同時采集這兩個信號，從而實現(xiàn)更嚴(yán)密的控制和更準(zhǔn)確的運動。電機(jī)控制器可以在控制算法中使用這兩種信號來精確地控制電機(jī)。由于正弦信號和余弦信號具有 90 度相位差，因此控制算法可以檢測電機(jī)的位置及其旋轉(zhuǎn)速度。圖 3 所示為增量編碼器系統(tǒng)的編碼器方框圖。
圖3：具有 THS 器件的編碼器方框圖
結(jié)語
自動半導(dǎo)體測試儀需要具備高通道密度、高速和一定的精度水平。數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要非常高的速度來采集信號，而使用正弦和余弦控制的高端線性編碼器需要精確的同步采樣 ADC 來實現(xiàn)精確控制。德州儀器 ADS9219 和 ADS9817 可以幫助您構(gòu)建尺寸更小、運行精度更高的出色系統(tǒng)，從而更大限度地減少終端設(shè)備所需的校準(zhǔn)工作和停機(jī)時間。
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