Testen von ADC/DAC-Wandler-ICs: Zuverlässige Datenwandlung

Heutzutage sind eine Vielzahl von Anwendungen auf Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) und Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) angewiesen. Diese Komponenten sind für die Signalverarbeitung unverzichtbar, da sie die Brücke zwischen der digitalen und analogen Welt schlagen. Sie ermöglichen die Interaktion digitaler Schaltungen mit analogen Komponenten und spielen daher eine zentrale Rolle in Bereichen wie der Audioverarbeitung, der Telekommunikation und in Datenerfassungssystemen.

Die Rolle von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern

Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) sind essenzielle Bausteine moderner Datenerfassungssysteme (DAQ oder DAS). Sie wandeln aufbereitete analoge Signale in digitale Datenströme um und ermöglichen es diesen Systemen so, die Informationen zu verarbeiten, darzustellen, zu speichern und zu analysieren. Eine hohe Präzision bei diesem Umwandlungsprozess ist entscheidend, da selbst geringfügige Ungenauigkeiten die nachgeschaltete Analyse erheblich beeinträchtigen können.

Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) hingegen sind ein integraler Bestandteil von Anwendungen wie der Speicherung, dem Streaming und der Übertragung digitaler Audiosignale. D/A-Wandler nehmen digitale Daten entgegen und wandeln sie zurück in ein analoges Signal. Dies gewährleistet eine hohe Wiedergabetreue bei der Audioreproduktion und anderen Anwendungen mit analogem Ausgang.

Sowohl A/D- als auch D/A-Wandler müssen getestet werden, um ihre optimale Leistung sicherzustellen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Parametern wie der maximalen Abtastrate, der Bit-Auflösung, dem Gesamtklirrfaktor (THD), dem Rauschen, dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), der integralen (INL) und differenziellen Nichtlinearität (DNL), der effektiven Anzahl von Bits (ENOB) sowie dem Jitter.

Wichtige Testmethoden für A/D-Wandler

Das Testen von A/D- und D/A-Wandlern umfasst verschiedene Techniken, wobei die spezifischen Methoden auf die jeweiligen Eigenschaften der Wandler zugeschnitten sind. Die primären Tests variieren je nach Zielanwendung, sei es Videoverarbeitung, Bildgebung, Telekommunikation, Steuerungssysteme oder Audioverarbeitung.

Statisches Testen von A/D-Wandlern

INL und DNL

Das Testen von A/D-Wandlern beinhaltet häufig die Messung wichtiger Leistungskennzahlen wie:

Offset-Fehler
Verstärkungsfehler
Differenzielle Nichtlinearität (DNL)
Integrale Nichtlinearität (INL)
Fehlende Codes

Für den Test von DNL und INL legt man ein Signal am Eingang des A/D-Wandlers an und analysiert die Häufigkeit der resultierenden Ausgangscodes. Im Gegensatz zum Testen von D/A-Wandlern, bei dem digitale Codes angelegt und der analoge Ausgang mit einem Präzisionsvoltmeter gemessen wird, erfordert das Testen von A/D-Wandlern die Identifizierung von „Entscheidungspegeln“ – den exakten Eingangsspannungen an den Codegrenzen.

Histogramm-Test mit einer linearen Rampe

Bei diesem Verfahren wird ein lineares Rampensignal angelegt und die Auftrittshäufigkeit (die Anzahl der „Treffer“) für jeden Ausgangscode analysiert. Idealerweise sollte jeder Code gleich häufig auftreten. Tritt ein Code häufiger als andere auf, deutet dies auf einen breiteren Schritt und eine positive DNL hin. Umgekehrt weist ein selteneres Auftreten auf einen schmaleren Schritt und eine negative DNL hin. Sobald die DNL ausgewertet ist, ergibt sich die INL aus der kumulativen Summe der DNL-Werte.

Der lineare Rampen-Histogramm-Test, auch als Code-Dichte-Test bekannt, ist die gebräuchlichste Methode zur Prüfung der statischen Parameter von A/D-Wandlern.

Figure 2 - ADC Linear Ramp Histogram Test principle

Histogramm-Test mit sinusförmigem Eingang

Die Histogramm-Methode kann auch ein Sinussignal als Eingang für einen A/D-Wandler verwenden. Im Vergleich zu anderen Signalformen wie einer linearen Rampe ist die Erzeugung einer reinen Sinuswelle oft einfacher. Eine Sinuswelle weist jedoch eine ungleichmäßige Spannungsverteilung auf, bei der sich die Spannungsschritte in den oberen und unteren Scheitelbereichen konzentrieren.

Bei dieser Methode wird der Ausgang des A/D-Wandlers analysiert, um die Leistung des Wandlers bei unterschiedlichen Spannungspegeln zu bewerten. Bei D/A-Wandlern werden hochpräzise digitale Kanäle mit einem rauscharmen Sinuswellengenerator kombiniert, um die Leistung in diesen Spannungsbereichen zu prüfen und minimale Verzerrungen und Rauschen sicherzustellen.

Figure 3.1 - ADC Sine-Wave Input Histogram Test principle

Dynamisches Testen von A/D-Wandlern

Rauschquellen beim Testen von A/D-Wandlern

Ein genaues Testen von A/D-Wandlern muss verschiedene Rauschquellen berücksichtigen, da diese die Leistung von Datenwandlern erheblich beeinträchtigen können. Die drei primären Rauschquellen sind:

Jitter bei digitalen Signalen: Jitter führt zu Fehlern im Abtastzeitpunkt, was Ungenauigkeiten im erfassten Signal zur Folge hat. Die Minimierung von Jitter verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Rauschen des Wellenformgenerators: Die Qualität des für den Test erzeugten Signals beeinflusst die Ergebnisse direkt. Das Testequipment muss ein höheres SNR aufweisen als der Prüfling (DUT), um zuverlässige Messergebnisse zu gewährleisten.
Rauschen in Spannungsreferenzen und Stromversorgungen: Das Rauschen der Spannungsreferenz (Vref) oder der Stromversorgung eines A/D-Wandlers kann sich als Ausgangsrauschen sowie in Offset- und Verstärkungsfehlern manifestieren. Für präzisere Tests werden externe Spannungsreferenzen empfohlen, und das Rauschen der Stromversorgung muss durch Parameter wie die Versorgungsspannungsunterdrückung (PSRR) sorgfältig kontrolliert werden.

Testen von D/A-Wandlern: Einfacher, aber präzise

Im Vergleich zum Testen von A/D-Wandlern ist das Testen von D/A-Wandlern im Allgemeinen unkomplizierter. Der Prozess besteht darin, eine Reihe digitaler Codes an den D/A-Wandler anzulegen und den entsprechenden analogen Ausgang mit einem hochpräzisen Digitalvoltmeter (DVM) zu messen. Dies ermöglicht eine direkte Messung der DNL (Differenzielle Nichtlinearität) und INL (Integrale Nichtlinearität). Obwohl das Testen von D/A-Wandlern weniger komplex ist, erfordert es dennoch einen hochgenauen Digitizer, um präzise Ergebnisse zu garantieren.

In Fällen, in denen die Genauigkeit des Digitizers nicht ausreicht, können zusätzliche Teststrategien angewendet werden, um die Messpräzision zu erhöhen:

Pedestal-Test: Bei dieser Methode wird eine bekannte Pedestal-Spannung vom Ausgang des D/A-Wandlers subtrahiert, was die Genauigkeit von Kleinsignalmessungen verbessert.
Differenzverstärker mit Kompensationsquelle (Bucking-Source): Diese Technik verwendet einen Differenzverstärker, um Rauschen oder unerwünschte Signalkomponenten zu eliminieren, was die Genauigkeit der DNL- und INL-Messungen weiter erhöht.

Diese Methoden ermöglichen präzisere Messungen und stellen sicher, dass selbst minimale Abweichungen in der Leistung des D/A-Wandlers erkannt und korrigiert werden.

Pedestal-Test

Der Pedestal-Test kann die Präzision beim Testen von D/A-Wandlern steigern, wenn eine höhere Genauigkeit gefordert ist. Anstatt sich ausschließlich auf den Digitizer zu verlassen, kann der Rampengenerator des digitalen Verarbeitungsinstruments über eine interne Verbindung als Pedestal für den Digitizer genutzt werden. Die Rampe wird zuvor von einem hochgenauen System-Voltmeter vorcharakterisiert, um ihre Eigenschaften exakt zu bestimmen. Diese Methode erlaubt es dem Digitizer, in einem kleineren Bereich zu arbeiten, was seine Messauflösung erheblich verbessert und präzisere Tests des D/A-Wandler-Ausgangs ermöglicht.

Differenzverstärker mit Kompensationsquelle

In Fällen, in denen selbst die Pedestal-Konfiguration nicht die erforderliche Präzision bietet, kann die Technik des Differenzverstärkers mit Kompensationsquelle („Bucking-Source“) angewendet werden. Hierbei agiert eine hochstabile Spannungsquelle als „Bucking“-Spannung, die gegen den zu testenden D/A-Wandler geschaltet wird. Die Ausgangspunkte der Kompensationsquelle werden von einem hochpräzisen System-Voltmeter, wie dem HP3458A, vorcharakterisiert, um genaue Referenzwerte zu gewährleisten.

Die Kompensationsquelle und der D/A-Wandler bilden die differentiellen Eingänge zu einem hochstabilen, driftarmen programmierbaren Verstärker (PGA). Der PGA verstärkt die Differenz zwischen dem Ausgang des D/A-Wandlers und der Kompensationsquelle. Dieser Ansatz isoliert die feinen Unterschiede zwischen dem erwarteten und dem tatsächlichen Ausgang und ermöglicht so eine hochpräzise Messung der D/A-Wandler-Leistung. Punkt-für-Punkt-Differenzen werden genutzt, um die DNL durch Messung der LSB-Schrittgrößen zu berechnen. Diese Ergebnisse werden anschließend integriert, um die INL zu bestimmen.

SPEAs Testlösungen für A/D- und D/A-Wandler

Das Testen von A/D- und D/A-Wandlern erfordert anspruchsvolles Equipment, das sowohl hochwertige digitale Signale als auch präzise analoge Quellen liefern kann. Die DOT-Tester von SPEA bieten die perfekte Mischung aus Genauigkeit und Leistung. Die Kombination aus hochpräzisen digitalen Kanälen, einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis und einem niedrigen Gesamtklirrfaktor macht das Equipment von SPEA ideal für das umfassende Testen von A/D- und D/A-Wandlern.

Für das Testen von D/A-Wandlern bietet die Instrumentierung von SPEA hochgenaue analoge Messungen, die eine präzise Leistungsbewertung ermöglichen. Für A/D-Wandler liefern die Tester von SPEA hochwertige digitale Signale mit geringem Jitter, kombiniert mit analogen Quellen, die eine hohe spektrale Reinheit und ein exzellentes SNR aufweisen – entscheidende Voraussetzungen für die Durchführung von Linearitätstests und Rauschanalysen.