在設計用于準確監測和控制重要電氣參數（包括電流、電壓和功率）的系統中，模數轉換器 （ADC） 使用同步采樣來監測和控制電壓和電流。速度和精度是其中一些重要的參數，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的數據量。這篇技術文章將介紹精度更高且速度更快的 ADC 如何在自動化半導體測試儀、數據采集設備和高端線性編碼器等站點數量較多的系統中實現更高的精度和更高的吞吐量。
自動化半導體測試儀
通道密度在半導體測試設備中起著至關重要的作用，尤其是在自動化存儲器測試設備。通道密度越高，測試設備能夠容納的測試站點就越多，受測半導體元件吞吐量也越高。采用封裝尺寸更小、通道數量更多的 ADC 能夠提高可實現的通道密度。然而，即使通道數量很高，優化 ADC 的帶寬和穩定時間也很重要。更高的帶寬和更短的穩定時間可以縮短信號吞吐時間，從而縮短自動化半導體測試設備的總體測試時間。存儲器測試儀通常是多路復用系統，這需要 ADC 具有快速響應時間，以快速捕獲多路復用器輸出上的數據。
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 的總體未調整誤差 （TUE） 是影響測試設備性能及其相關校準方法的另一個因素。高精度器件可以提高系統設計的整體精度并降低校準要求。ADS9817?具有較低的積分非線性 （INL） 和超低溫漂，失調電壓漂移為 0.5 ppm/°C，增益漂移為 0.7 ppm/°C。這些規格可以降低 TUE，從而減少了測試儀的校準工作量并提高了其性能。表 2?詳細介紹了 ADS9817 器件的 TUE。
表 2：ADS9817 在各種工作條件下的測量精度
數據采集設備
高速數據采集系統需要寬帶寬、無混疊精密信號鏈來測量無阻尼加速計或寬帶寬電流傳感器等高頻傳感器的輸出。為了在寬動態范圍內準確采集快速瞬態信號，需要使用高速精密 ADC。數據采集系統需要大約 20 MSPS 的 ADC，才能準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 所示為數據采集系統的電路方框圖。集成式 ADC 驅動器簡化了前端放大器的帶寬要求。這一增強功能使數據采集系統能夠提供高精度和寬帶寬。在 ADC 接收到模擬信息后，數據采集軟件會處理數字化數據并將其輸出給用戶。
圖 2：用于數據采集的 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 在伺服驅動器中進行數字化。正弦和余弦信號的插值為伺服驅動器提供電機的位置和速度。為了準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控制終端設備（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法測量快速運動的電機并執行精確的運動。編碼器的輸出信號頻率與電機轉速直接相關，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 驅動器。這些器件非常適合用于正弦和余弦電機控制，因為這些 ADC 能夠通過高帶寬同時采集這兩個信號，從而實現更嚴密的控制和更準確的運動。電機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。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的位置及其旋轉速度。圖 3 所示為增量編碼器系統的編碼器方框圖。
圖3：具有 THS 器件的編碼器方框圖
結語
自動半導體測試儀需要具備高通道密度、高速和一定的精度水平。數據采集設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 來實現精確控制。德州儀器 ADS9219 和 ADS9817 可以幫助您構建尺寸更小、運行精度更高的出色系統，從而更大限度地減少終端設備所需的校準工作和停機時間。
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