如何監(jiān)測(cè)自動(dòng)化測(cè)試儀和編碼器

在設(shè)計(jì)用于準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(cè)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(hào)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(dòng)化半導(dǎo)體測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和高端線性編碼器等站點(diǎn)數(shù)量較多的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的精度和更高的吞吐量。

自動(dòng)化半導(dǎo)體測(cè)試儀

通道密度在半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，尤其是在自動(dòng)化存儲(chǔ)器測(cè)試設(shè)備。通道密度越高，測(cè)試設(shè)備能夠容納的測(cè)試站點(diǎn)就越多，受測(cè)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(shí)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(shí)間也很重要。更高的帶寬和更短的穩(wěn)定時(shí)間可以縮短信號(hào)吞吐時(shí)間，從而縮短自動(dòng)化半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備的總體測(cè)試時(shí)間。存儲(chǔ)器測(cè)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(shí)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(chǔ)器測(cè)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(shí)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(chǔ)器測(cè)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(cè)試設(shè)備性能及其相關(guān)校準(zhǔn)方法的另一個(gè)因素。高精度器件可以提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)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(hào)鏈來測(cè)量無阻尼加速計(jì)或?qū)拵?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/480924.html">電流傳感器等高頻傳感器的輸出。為了在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)準(zhǔn)確采集快速瞬態(tài)信號(hào)，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(hào)。ADS9219 在 20 MSPS 時(shí)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(dòng)器簡(jiǎn)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(huì)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(hào)，這些信號(hào)由 ADC 在伺服驅(qū)動(dòng)器中進(jìn)行數(shù)字化。正弦和余弦信號(hào)的插值為伺服驅(qū)動(dòng)器提供電機(jī)的位置和速度。為了準(zhǔn)確地完成這些信號(hào)的插值，需要兩個(gè)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(cè)量快速運(yùn)動(dòng)的電機(jī)并執(zhí)行精確的運(yùn)動(dòng)。編碼器的輸出信號(hào)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(cè)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(dòng)器。這些器件非常適合用于正弦和余弦電機(jī)控制，因?yàn)檫@些 ADC 能夠通過高帶寬同時(shí)采集這兩個(gè)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)密的控制和更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)控制器可以在控制算法中使用這兩種信號(hào)來精確地控制電機(jī)。由于正弦信號(hào)和余弦信號(hào)具有 90 度相位差，因此控制算法可以檢測(cè)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(dòng)半導(dǎo)體測(cè)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(hào)，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(shí)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(yùn)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(shí)間。