Parameter von A/D-Wandlern einfach ermitteln




Hat man sich anhand der Datenblatt-Angaben für einen A/D-Wandler entschieden, bleibt die Unsicherheit, ob die Parameter mit realistischem Aufwand im eigenen Entwurf erreicht werden können. Hilfreich sind hier wandlerspezifische Evaluierungsmodule und Software, mit denen man die Schlüsselparameter des Wandlers unter den eigenen Bedingungen prüfen kann.

Zu Beginn eines Projektes stehen Entwickler meist vor der Aufgabe, geeignete A/D-Wandler auzuwählen. Während sich die Architektur in vielen Fällen bereits durch den vorgeschalteten Sensor ergibt, sind Punkte hinsichtlich der benötigten Auflösung, dem erwünschten Rauschabstand und weiteren Parametern offen. Ist die Auswahl dann anhand der Angaben im Datenblatt erfolgt, bleibt doch die Unsicherheit, ob diese Parameter auch mit einem realistischen Aufwand und insbesondere mit den eigenen zu messenden Signalen erreicht werden.

Hier ist es in der Praxis in vielen Fällen hilfreich, wenn der Hersteller ein Evaluierungs-Modul (EVM) zur Verfügung stellt, mit dessen Hilfe man sich ein besseres Bild von der Leistungsfähigkeit des Wandlers unter den im eigenen Entwurf vorhandenen Bedingungen machen kann. Dies erspart entweder den Aufbau einer eigenen Testplatine oder verkürzt die Zeit, bis der Prototyp der eigenen Schaltung zur Verfügung steht.

IEEE-Standard 1241-2000: Messungen an A/D-Wandlern

Der IEEE Standard 1241-2000 beschreibt mehrere Möglichkeiten, Messungen an A/D-Wandlern durchzuführen. In der Praxis haben sich der Servo-Loop-Test, mit dem sich die Gleichstromparameter ermitteln lassen, sowie der Sinuswellen-Test zum Bestimmen der Wechselstromparameter durchgesetzt. Die IEEE-Spezifikation beschreibt ebenfalls ein Verfahren, mit dem die Gleichstromparameter mithilfe des gleichen Aufbaus wie beim Wechselstrom-Test ermittelt werden können, weswegen im Folgenden auch nur dieser Test beschrieben wird.

Bild 1: Minimal benötigter Aufbau für den Sinus-Test
Bild 1: Minimal benötigter Aufbau für den Sinus-Test

Für den Sinus-Test ist der in der Bild 1 gezeigte Aufbau notwendig, der einer Minimalkonfiguration entspricht. Ist eine höhere Präzision erforderlich, wird in vielen Fällen ein zweiter Funktionsgenerator verwendet, der den getesteten A/D-Wandler mit einem Taktsignal versorgt, das – um eine kohärente Abtastung zu erreichen – mit dem Sinusgenerator für das Eingangssignal gekoppelt wird.

Um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, muss der Generator für das Eingangssignal eine um mindestens –20 dB geringere Verzerrung besitzen, als vom A/D-Wandler zu erwarten ist. Ein idealer 16 Bit Wandler besitzt einen SINAD (Signal to Noise and Distortion, Verhältnis von Signal- zu Rauschleistung) von 98 dB, der mit dem idealen Signal-Rauschabstand (SNR) identisch ist. Daher müsste der Signalgenerator mindestens einen THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise, Klirrfaktor + Rauschen) von –118 dB besitzen.

Bei diesem Aufbau müssen die Wandlungsergebnisse vom Konverter ausgelesen und auf einem PC verarbeitet werden. Dies ist im Regelfall mit einer eigenen Programmierung verbunden und daher zeit- und kostenintensiv.

Wandlerspezifische Eval-Module: Performance Demonstration Kits

Eine Lösung dieser Problemstellung bietet Texas Instruments mit den so genannten Performance Demonstration Kits (PDK) an. Diese Kits bestehen aus einem wandlerspezifischen Evaluierungsmodul und einer Trägerkarte nebst Netzteil, die für den Transfer der Daten zwischen dem Wandler und dem mitgelieferten PC-Programm zur Auswertung und Darstellung verantwortlich ist. Aufgrund der Modularität der Komponenten ist der gesamte Bausatz recht preiswert. So kostet zum Beispiel das PDK für den ADS1258 (Aufmacher), einem 8 Kanal, 24 Bit Delta-Sigma-Wandler im Online-Store 149 US-$. Der Transfer zwischen der Trägerkarte und dem PC erfolgt über USB, damit stehen auch große Datenmengen schnell zur Verfügung.

Aufbau des Wandler-Evaluierungs-Moduls

Das Wandler-EVM ist so aufgebaut, dass bei einer guten Signalquelle die Datenblatt-Parameter im Allgemeinen erreicht werden. Die Platine beinhaltet den Wandler und das zugehörige analoge Front-End sowie die Referenzquelle, sofern diese benötigt wird. Die verfügbaren Steckerleisten ermöglichen auch einen Einsatz der Platine ohne Trägerkarte. Benötigt man zum Betrieb des Wandlers verschiedene Spannungen, werden diese in einigen Fällen direkt auf der Karte erzeugt. Ein Einspeisen von einer externen Quelle ist ebenfalls möglich, um z.B. die Verhältnisse im eigenen System zu emulieren.

Für die korrekte Ansteuerung und die eigentliche Datenakquisition ist der auf der Trägerplatine vorhandene Signalprozessor vom Typ TMS320VC5507 verantwortlich.

Zu diesem Zweck wird beim Starten des zugehörigen PC-Programmes eine wandlerspezifische Firmware geladen. Weiterhin ist auf der Trägerplatine eine PLL untergebracht, die alternativ zum auf dem EVM befindlichen Oszillator als Taktquelle für den Wandler dient.

Signalauswertung mit dem PC-Programm ADCPro

Mithilfe des für die Signalauswertung bereitgestellten PC-Programms ADCPro lässt sich das Testsignal auf drei Wegen begutachten: im Zeitbereich, als Histogramm und im Frequenzbereich.


Bild 2: Evaluierungs-Modul ADCPro: Links: Für die Steuerung notwendige Elemente. Rechts: Test-Plug-in

Zu diesem Zweck ist das Programm modular aufgebaut und in drei Bereiche aufgeteilt: Der linke Bereich beinhaltet die für die Steuerung des Wandlers notwendigen Schalter und Steuerelemente, während der rechte Bereich dem eigentlichen Test-Plug-in vorbehalten ist. Der dritte und letzte Sektor ist ganz oben angeordnet und für die Datenakquisition verantwortlich (Bild 2).

Schritt 1: Test im Zeitbereich

Im Allgemeinen wird man die Evaluierung eines Wandlers mit der Konfiguration des Wandlers beginnen, d.h. man wählt zuerst die zu begutachtenden Kanäle, die zu verwendende Taktquelle und Abtastrate oder die Referenz im linken, wandlerspezifischen Bereich der Software aus. Ist der Wandler wunschgemäß konfiguriert, steht in den meisten Fällen als erster Test der in der Zeitdomäne an.

Bild 3: MultiScope-Tester (Zeitbereich) im ADCPro-Programm
Bild 3: MultiScope-Tester (Zeitbereich) im ADCPro-Programm

In ADCPro ist dafür der so genannte „MultiScope-Tester“ zuständig, der einen oder mehrere Kanäle im Zeitbereich anzeigen kann und sich ähnlich wie ein Mehrkanal-Oszilloskop verhält (Bild 3). Man kann zoomen oder Gleichungen auf ein Signal anwenden (nützlich z.B. bei Temperatursensoren). Über die angezeigte Signalform lassen sich Gain- und Offsetfehler des Wandlers evaluieren.

Schritt 2: Auswertung im Frequenzbereich

Als nächster Schritt steht die Auswertung im Frequenzbereich mithilfe des „MultiFFT-Testers“ an (Bild 4). Wie der MultiScope-Tester kann auch dieser einen oder mehrere Kanäle darstellen.

 

Bild 4: FFT-Tester (Frequenzbereich) im ADCPro-Programm
Bild 4: FFT-Tester (Frequenzbereich) im ADCPro-Programm

Für den Fall, dass eine kohärente Abtastung nicht erreicht wird, lässt sich das Signal über ein Fenster filtern und z.B. der Gleichstromanteil ignorieren. Unterhalb der grafischen Anzeige des oder der Signale werden die berechneten Parameter wie Signal-Rauschabstand (SNR), THD, THD plus Rauschen (SINAD) usw. sowie die Signalfrequenz und Stärke direkt angezeigt.

Um dieberechneten Daten auch in einem Programm außerhalb von ADCPro zu verarbeiten, lassen sich diese auf die Festplatte abspeichern. Auch die akquirierten Rohdaten können so gesichert werden.

Schritt 3: Histogramm erstellen

Mittels des „MultiHistogram-Testers“ lassen sich – sobald ein Sinus-Signal am Wandler anliegt – die „Probability Density Function“ erstellen oder – bei einem Gleichstrom-Signal bzw. bei kurzgeschlossenen Wandlereingängen – der Offset-Fehler sowie die effektive Bit-Anzahl (ENOB) bestimmen.

Mithilfe dieser drei Tester ist ein vollständiges Vermessen des Wandlers möglich. Abgespeicherte Messwerte lassen sich erneut anzeigen und auswerten. Mithilfe des sogenannten „Triple-Generator“ können Referenzsignale mit dem idealen Signal verglichen werden.

Schlüsselparameter ermitteln

Mit dem für viele Wandler des Unternehmens verfügbaren Evaluierungsmodul kann der Anwender den ausgewählten A/D-Wandler sowohl mit seiner eigenen Konfiguration als auch mit seinem systemspezifischen Front-End und Eingangssignal oder mit den in seinem System vorliegenden Takten und Datenraten testen und die gewünschten Schlüsselparameter ermitteln.

Die erzielten Messergebnisse können von den Datenblattparametern des Herstellers abweichen. Dies liegt daran, dass zur Messung unter Umständen andere Messmethoden und Signalquellen verwendet werden.

Als weitere Hilfsmittel stehen das Simulationsprogramm TINA-TI für analoge Schaltkreise oder das „Data Converter Support Tool“, das automatisch für viele Wandler und die populärsten Signalprozessoren des Unternehmens Interface-Software erstellt, zur Verfügung.

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