如何用高速A/D轉換器測量脈沖波形
發布時間：2011-10-25 11:29
發布者：李寬
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Mark Cejer，吉時利儀器公司市場總監 采用脈沖信號的產品方陣不斷增長，包括當前能效更高的IC、開關電源和逆變器，乃至LED模塊和子組件；相應的，對于這些最終產品而言，其分立的組成部件在脈沖條件下的測量變得極為重要。僅具備DC源輸出能力的測試儀器給器件施加的功率所發生的熱量將足以改變器件的特性。脈沖激勵信號的使用還要求儀器能夠實現更快的測量。 高速與積分ADC的比較 
傳統上精密的SMU(信號源測量單元)均采用了積分式的模擬/數字變換器(ADC)，這可以讓信號在一定時間間隔(稱為積分時間)內平均。圖1描述了一種經過簡化的雙斜率積分ADC，其基本工作原理是用未知的信號對電容充電，然后在基準電壓下讓電容放電。充電和放電的時間的比例與未知信號與基準信號間的比例成正比。雖然這一ADC技術可以提供很高的精度和對噪聲的出色耐受能力，但電容的充電-放電循環會造成測量的間隔過長(至少50µs)，這會讓測量速度大大降低。相比之下，高速ADC能夠以高達1MHz的猝發速率來對信號進行采樣。與積分ADC不同的是，這些高速的ADC采用了類似于示波器的采樣技術，即可以獲取隨時間變化的信號的快照。它們可以提供高于示波器的分辨率(分別為18位和8位)，從而可以以與之相當的帶寬來完成更精確的瞬態特性測量。
圖2示出了積分和高速ADC所獲取的結果之間的差異。雖然高速的ADC可以返回更多的讀數，但這些測量的精度和可重復性要低于使用積分ADC所完成的測量。要求更高吞吐率的應用可以容忍較低的精度，或者，可以通過對若干次讀數的平均來改善其精度。一般情況下，采用積分速率為0.01PLC或者更高的積分ADC進行的測量可以達到的精度，相當于采用高速ADC所達到的精度。更新的、集成了兩個高速ADC的SMU設計可以同時完成電壓和電流的測量。采用這些技術時，同時具備高速ADC和先進的觸發模式的特點則可以支持對脈沖信號的精確時變特性測量。例如，吉時利的2651A型大功率系統SourceMeter儀器可以完成與源操作異步的測量，例如可以在脈沖之前、脈沖過程中或者脈沖之后來進行。
對于某些應用而言，如功率二極管和LED的熱阻抗測量，獲取所測量出的脈沖頂部位置處的電壓曲線的斜率就顯得很重要。這一功能對于脈沖幅值的平坦度的測量而言也很有用。當測量與信號源同步時，高速ADC可以對脈沖的頂部進行數字化(圖3a)。 異步的觸發對于在脈沖頂部進行的點平均測量而言非常有效(圖3b)。人們往往要用分析軟件來對采樣數據進行平均，以改善精度，但更新的SMU設計提供了平均和中值濾波器，它們可以作用于高速ADC的讀數，從而使之返回點平均測量。 有時，對脈沖通過器件或者系統時的傳輸特性的測量也很有意義。這些應用需要對整個脈沖進行數字化，包括其上升沿和下降沿(圖3c)。通過高速ADC來進行異步于源操作的測量，就可以完成這種測量。 有時可以用脈沖來向器件提供功率應力。在這些應用中，在施加應力前記錄器件的狀態非常有用。這可以通過如下方法來實現：編程設定一個具有非零空置電平(idle level)的脈沖，并在觸發脈沖前先觸發測量操作(圖3d)。用戶可以規定脈沖出現前多長時間應該啟動測量�？梢岳枚〞r器來對測量的起點以及脈沖的起止點進行編程設定。 在使用脈沖測試來對器件施加應力時，還必須在施加應力后進行器件的特性測量。這一般是通過在脈沖到來后輸出一個預先定義的測試電壓或者電流來完成的(圖3e)。測試電平的選擇，應當不至于造成對器件的任何附加的熱或者電應力。測量的實現方法可以是：信號源輸出一個非零空置電平的脈沖，同時利用高速ADC來執行測量。從高速ADC獲得的結果指示了器件是如何從應力作用中恢復的。 |
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