Tests von Datenwandlern

Entwicklung und Test von Datenwandlern: Herausforderungen

Immer häufiger verdrängen Datenwandler herkömmliche HF-Systeme bis in den GHz-Bereich. Bei diesen erweiterten Anwendungsfällen wird daher die Validierung der ADCs und DACs immer wichtiger. Wandler dienen als Überbrückung zwischen analogen und digitalen Bereichen, deshalb ist jedes System immer nur so gut wie der Wandler. Ein schneller Prozessor und ein perfekter Verstärker sind nutzlos, wenn der ADC oder DAC nicht mithalten kann oder Rauschen und Verzerrungen einführt.

Neue Generationen von Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern erfüllen die Anforderungen von höheren Bandbreiten und Datenraten und reizen die Möglichkeiten bei Taktgeschwindigkeit und digitaler Verarbeitungsleistung bis an die Grenzen aus. Gleichzeitig stellen Faktoren wie geringe Latenz, niedrige Leistungsaufnahme und effiziente Wärmeabgabe zusätzliche Herausforderungen bei der Entwicklung und Verifizierung von Elektronik- und HF-Designs dar.

Bei der Validierung von Analog-digital- und Digital-analog-Wandlern sowie bei Tests ihres Energieverbrauchs müssen einige wichtige Parameter präzise gemessen werden.

Diese Schlüsselkennzahlen umfassen bei Wandlern:

• Signal-Rausch-Verhältnis (SRV): Diese Kennzahl definiert die Empfindlichkeit des Wandlers, indem der Pegel des gewünschten Signals mit dem Pegel des Hintergrundrauschens verglichen wird. Beim Verifizieren von HF- und Mikrowellensystemen ist dies ein kritischer Parameter, da ein höheres SRV bedeutet, dass der Wandler Signale besser von Rauschen unterscheiden kann. Das führt zu einer höheren Qualität des Ausgangssignals.
• Störungsfreier dynamischer Bereich (SFDR): Dies repräsentiert das Verhältnis zwischen der Signalleistung und der größten Störung. Ein größerer SFDR weist auf eine bessere Performance beim Minimieren von unerwünschten Störsignalen hin, was für die Signalintegrität in Systemen mit einem breiten Dynamikbereich wesentlich ist.
• Effektive Anzahl von Bits (ENOB): Diese Größe kombiniert SRV und SFDR in einen Messwert. Sie wird hauptsächlich durch den SFDR-Wert definiert und gibt an, wie viele Bits bei der Zielanwendung tatsächlich nutzbar sind, unabhängig von der theoretischen Auflösung des Wandlers. Dieser Wert kann ungefähr folgendermaßen berechnet werden: ENOB = SFDR/6,02 + 1,76 dB
• Frequenzverhalten: Dieses beschreibt die Performance des Wandlers in Bezug auf Empfindlichkeit und Frequenzabdeckung bei verschiedenen Signalfrequenzen und Bandbreiten. Dadurch wird eine exakte und konsistente Wandlung über den gesamten Bereich der erwarteten Eingangssignale hinweg sichergestellt.

Außerdem beeinflussen verschiedene externe Systemdesignfaktoren die Wandlerperformance wesentlich. Dazu gehören:

• Qualität des Taktsignals: Dies bestimmt die Zeitgebung des Wandlers. Phasenrauschen, Jitter, Störtöne und andere Verzerrungen im Takt beeinträchtigen die Genauigkeit des Ausgangssignals des Wandlers direkt.
• Gleichstromversorgung: Diese versorgt den Wandler mit Strom. Ihre Bedeutung wird oft übersehen, aber sie ist genauso wichtig wie das Taktsignal. Eine einwandfreie Versorgungsintegrität der Gleichstromversorgung ist für ein sauberes und exaktes Wandlersignal wesentlich.
• Signalintegrität auf der Platine: Übersprechen oder Interferenzen im Platinendesign beeinträchtigen die Signalqualität um den Wandler herum.

Wie oben erwähnt, können neue Wandler HF-Signale direkt abtasten und werden oft als HF-DACs oder HF-ADCs bezeichnet. Für diese Bauteile ist die gesamte Palette an HF-Tests wichtig. Hierbei gibt es zwei wichtige Leistungskennzahlen für Datenwandler:

• Grundsätzlich wird der Intermodulations-Test mit einem 2-Ton-Signal zum Ermitteln der HF-Funktionalität und der Verzerrung verwendet.
• In dedizierten Anwendungsfällen wird eine EVM-Validierung unter Verwendung der Zielkurvenform durchgeführt, um eine niedrige Bitfehlerrate sicherzustellen.

Neue Generationen von Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern bedienen den Bedarf an höheren Bandbreiten und Datenraten und stellen wachsende Ansprüche an Taktgeschwindigkeit und digitale Verarbeitungsleistung. Weitere Aspekte wie niedrige Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe stellen zusätzliche Herausforderungen bei der Entwicklung und Verifizierung von Elektronik- und HF-Designs dar.

Unsere hochmodernen Lösungen zum Testen von Datenwandlern

Bei modernen Hochgeschwindigkeits-Datenwandlern ist Rohde & Schwarz Ihr innovativer Partner. Wir bieten Test- und Messlösungen, die den Herausforderungen bei Tests von Datenwandlern gewachsen sind.

• Integrität von Signalen und Stromversorgung: Erweiterte Oszilloskope mit den richtigen Tastköpfen für eine Hochgeschwindigkeits- und Versorgungsanalyse können die Integrität sowohl der Signale als auch der Stromversorgung validieren. Darüber hinaus messen Vektornetzwerkanalysatoren mit Zeitbereichsanalyse Augendiagramme aller Netzwerke, die im Umfeld von Wandlern Signale erzeugen.
• Taktvalidierung: Taktgeber steuern die Wandler an. Die Charakterisierung von Taktgebern ist eine Spezialität von Phasenrauschmessplätzen. Sie ermöglichen auch instantane Jitter-Messungen über einen benutzerdefinierbaren Bereich. Der R&S FSWP verfügt als einziges Gerät seiner Art über einen eingebauten Signal- und Spektrumanalysator, was die Untersuchung von DAC-Ausgangssignalen mit demselben Gerät ermöglicht.
• Erzeugung präziser Taktsignale: Die analogen Signalgeneratoren von Rohde & Schwarz, insbesondere der R&S®SMA100B, haben sich in der Branche beim Testen von Datenwandlern dank ihres minimalen Jitters und ihrer minimalen Störsignale sehr bewährt.
• Saubere Eingangssignalquelle: Der R&S®SMA100B fungiert auch als eine ausgezeichnete saubere CW-Eingangssignalquelle zum Validieren von ADCs, während unsere Vektorsignalgeneratoren ein beliebiges moduliertes Testsignal liefern können, je nach Ihrer Zielanwendung.
• Komplette Charakterisierung der DAC-Ausgabe: Signalanalysatoren geben einen vollständigen Einblick in die Ausgangsperformance von DACs.
• Die richtige Gleichstromversorgung: Nicht zuletzt sind saubere Netzgeräte mit minimalem Rauschen und ausgezeichneter Versorgungsintegrität für eine optimale Wandlerperformance unerlässlich.