Volpiano (Italy)

diciembre 13, 2024

Test de Conversores ADC/DAC: Conversión de Datos Fiable

 

En la actualidad, una vasta gama de aplicaciones depende de los Conversores Digital-Analógicos (DAC) y los Conversores Analógico-Digitales (ADC). Estos dispositivos son esenciales en el procesamiento de señales, al servir de nexo entre los sistemas digitales y analógicos. Al facilitar la interacción entre circuitos digitales y componentes analógicos, los ADC y DAC juegan un papel fundamental en campos tan diversos como el procesamiento de audio, las telecomunicaciones y los sistemas de adquisición de datos, entre otros.

 

El Papel de los Conversores Analógico-Digitales y Digital-Analógicos

 

Los Conversores Analógico-Digitales (ADC) son componentes clave en los modernos sistemas de adquisición de datos (sistemas DAQ o DAS). Su función es transformar las señales analógicas, previamente acondicionadas, en flujos de datos digitales. Esto permite a los sistemas de adquisición procesar, visualizar, almacenar y analizar dicha información. Una alta precisión en este proceso de conversión es crítica, ya que incluso las inexactitudes más pequeñas pueden comprometer la validez del análisis y procesamiento posteriores.

Por otro lado, los Conversores Digital-Analógicos (DAC) son parte integral de aplicaciones como el almacenamiento, la transmisión y la reproducción de audio digital. Los DAC reciben datos digitales y los convierten de nuevo en una señal analógica, garantizando una alta fidelidad en la reproducción de sonido y en otras aplicaciones con salida analógica.

Tanto los ADC como los DAC requieren pruebas exhaustivas para asegurar un rendimiento óptimo. El enfoque se centra en parámetros específicos como la tasa de muestreo máxima, la resolución en bits, la distorsión armónica total (THD), el ruido, la relación señal-ruido (SNR), la no linealidad integral (INL), la no linealidad diferencial (DNL), el número efectivo de bits (ENOB) y el jitter.

 

Métodos de Prueba Clave para los ADC

 

La verificación de dispositivos ADC y DAC implica múltiples técnicas, con metodologías específicas adaptadas a las funciones únicas de cada conversor. Las pruebas principales varían según la aplicación de destino, ya sea procesamiento de vídeo, imagen, telecomunicaciones, sistemas de control o audio.

 

Pruebas Estáticas para ADC

 

INL y la DNL

 

Las pruebas estáticas de los ADC se centran en la medición de métricas de rendimiento clave, tales como:

• Error de offset
• Error de ganancia
• No Linealidad Diferencial (DNL)
• No Linealidad Integral (INL)
• Códigos faltantes

Para evaluar la DNL y la INL, se aplica una señal a la entrada del ADC y se analiza la frecuencia de aparición de cada código de salida. A diferencia de las pruebas de DAC, donde se introducen códigos digitales y se mide la salida analógica correspondiente con un voltímetro de precisión, las pruebas de ADC requieren identificar los «niveles de decisión», es decir, los voltajes de entrada exactos en los que se produce la transición entre códigos.

 

Prueba de Histograma con Rampa Lineal

 

En este método, se aplica una señal de rampa lineal y se registra el número de ocurrencias (o hits) para cada código de salida. Idealmente, cada código debería aparecer un número de veces similar. Si un código ocurre con más frecuencia que otros, indica un escalón más ancho y, por tanto, una DNL positiva. Por el contrario, un menor número de ocurrencias sugiere un escalón más estrecho y una DNL negativa. Una vez que se ha evaluado la DNL, la INL se calcula como la suma acumulada de los valores de DNL.

Este método, también conocido como prueba de densidad de códigos, es el más utilizado para verificar los parámetros estáticos de los ADC.

Prueba de Histograma con Entrada Sinusoidal

 

Este método utiliza una señal de onda sinusoidal como entrada para el ADC. Generar una onda sinusoidal pura suele ser más sencillo que producir otras formas de onda, como una rampa perfectamente lineal. Sin embargo, una onda sinusoidal tiene una distribución de voltaje no uniforme, con una mayor concentración de valores cerca de los picos de la señal. En esta prueba, se analiza la salida del ADC para evaluar el rendimiento del conversor en los distintos niveles de voltaje.

 

Pruebas Dinámicas para ADC

 

Fuentes de Ruido en las Pruebas de ADC

 

Unas pruebas precisas de ADC deben considerar diversas fuentes de ruido, ya que este puede degradar significativamente el rendimiento de los conversores. Las tres fuentes principales de ruido son:

1. Jitter en las Señales Digitales: El jitter, o fluctuación temporal, introduce errores en el instante de muestreo, lo que provoca imprecisiones en la señal digitalizada. Minimizar el jitter es fundamental para mejorar la relación señal-ruido (SNR).
2. Ruido del Generador de Forma de Onda: La calidad de la señal de entrada utilizada en las pruebas afecta directamente a los resultados. El equipo de prueba debe proporcionar una SNR elevada, superior a la del dispositivo bajo prueba (DUT), para garantizar la fiabilidad de las mediciones.
3. Ruido en las Referencias de Voltaje y Fuentes de Alimentación: El ruido en la referencia de voltaje (Vref) o en las fuentes de alimentación de un ADC puede traducirse en ruido en la salida, así como en errores de offset y ganancia. Para obtener la máxima precisión, se recomiendan referencias de voltaje externas y un control riguroso del ruido de la fuente de alimentación mediante parámetros como la Relación de Rechazo de la Fuente de Alimentación (PSRR).

 

Pruebas de DAC: Más Sencillas, pero Igualmente Precisas

 

En comparación con las pruebas de ADC, las de los DAC son, por lo general, menos complejas. El proceso consiste en aplicar una secuencia de códigos digitales al DAC y utilizar un voltímetro de alta precisión (DVM) para medir la salida analógica correspondiente. Esto permite una medición directa de la DNL y la INL. Sin embargo, aunque el procedimiento sea más simple, sigue requiriendo un digitalizador de alta precisión para garantizar resultados exactos.

Cuando la precisión del digitalizador es insuficiente, se pueden emplear estrategias adicionales para mejorar la exactitud de la medición:

• Prueba de Pedestal (Pedestal Test): Este método consiste en restar un voltaje de pedestal conocido de la salida del DAC, lo que mejora la precisión de las mediciones de señales de pequeña amplitud.
• Amplificador Diferencial con Fuente de Compensación (Bucking Source): Esta técnica utiliza un amplificador diferencial para anular el ruido o los componentes de señal no deseados, mejorando aún más la precisión en la medición de DNL e INL.

Estos métodos permiten realizar mediciones más precisas, asegurando que incluso las desviaciones más mínimas en el rendimiento del DAC sean detectadas y cuantificadas.

 

Prueba de Pedestal

 

La prueba de pedestal puede mejorar la precisión en las pruebas de DAC cuando se requiere una mayor exactitud. En lugar de depender únicamente del digitalizador, el generador de rampa del instrumento se puede utilizar como pedestal a través de una conexión interna. Esta rampa se caracteriza previamente mediante un voltímetro de sistema de alta precisión para asegurar que sus propiedades sean perfectamente conocidas. Este método permite que el digitalizador opere en un rango más reducido, mejorando significativamente su resolución y permitiendo pruebas más precisas de la salida del DAC.

 

Amplificador Diferencial con Fuente de Compensación

 

Para los casos en que ni siquiera la configuración de pedestal ofrece la precisión requerida, se puede emplear la técnica del amplificador diferencial con fuente de compensación. En este método, una fuente de voltaje de alta estabilidad actúa como un voltaje de «compensación» que se opone a la salida del DAC bajo prueba. Los puntos de salida de esta fuente se caracterizan previamente con un voltímetro de sistema de alta precisión (como el HP3458A) para asegurar valores de referencia exactos.

La fuente de compensación y el DAC se conectan a las entradas de un Amplificador de Ganancia Programable (PGA) de alta estabilidad y baja deriva. El PGA amplifica la diferencia entre la salida del DAC y la fuente de compensación. Este enfoque aísla las pequeñas desviaciones entre la salida esperada y la real, permitiendo una medición de alta precisión del rendimiento del DAC. Estas diferencias punto por punto se utilizan para calcular la DNL, y la posterior integración de estos resultados permite determinar la INL.

 

Soluciones de Prueba de SPEA para ADC y DAC

 

La prueba de dispositivos ADC y DAC requiere equipos sofisticados, capaces de proporcionar tanto señales digitales de alta calidad como fuentes analógicas precisas. Los probadores DOT de SPEA ofrecen una combinación idónea de precisión y rendimiento. La integración de canales digitales de alta exactitud, una elevada relación señal-ruido y una baja distorsión armónica total hace que los equipos de SPEA sean la solución ideal para las pruebas exhaustivas de ADC y DAC.

Para las pruebas de DAC, la instrumentación de SPEA proporciona mediciones analógicas de alta precisión, permitiendo una evaluación exacta del rendimiento. Para los ADC, los probadores de SPEA ofrecen señales digitales de alta calidad con bajo jitter, combinadas con fuentes analógicas de alta pureza espectral y SNR, elementos cruciales para realizar pruebas de linealidad y análisis de ruido.