Wege zur THD-Wert-Optimierung: Verzerren für bessere Messungen

Der Gesamtklirrfaktor oder THD-Wert (Total Harmonic Distortion) eines digitalen Signalgenerators lässt sich mit Hilfe einer digitalen Vorverzerrungsmethode so weit verbessern, dass die Evaluierung selbst extrem verzerrungsarmer Datenerfassungssysteme möglich ist.

Ein Datenerfassungssystem (englisch: Data Acquisition System – DAS) wandelt analoge Signale in ein digitales Format um, das anschließend von einem digitalen Signalprozessor (DSP) analysiert wird, um nützliche Informationen zu extrahieren. Einige Anwendungen wie etwa die Bildverarbeitung, die Audiotechnik und die Schwingungsanalyse verlangen nach einem DAS, das einen großen Signal-Rausch-Abstand (engl.: Signal-to-Noise Ratio, SNR) mit einem extrem geringen Gesamtklirrfaktor (engl.: Total Harmonic Distortion, THD) verbindet.

Das Entwickeln und Prüfen eines DAS mit großem Dynamikbereich birgt allerdings eine Reihe von Herausforderungen. Das zentrale Problem beim Prüfen eines solchen Systems besteht im Fehlen einer Signalquelle, die bessere THD- und SNR-Werte aufweist als der Prüfling. Beide Parameter werden nämlich kritisch, wenn das DAS selbst bereits für einen SNR von 100 dB und einen THD von –120 dB ausgelegt ist.

Nachfolgend wird erläutert, wie es mit der digitalen Vorverzerrung gelingt, die Verzerrungseigenschaften eines digitalen Signalgenerators so zu verbessern, dass Messungen an einem extrem verzerrungsarmen DAS mit –120 dB THD möglich sind.

Weshalb müssen die Verzerrungs­eigenschaften der Signalquelle ­verbessert werden?

Um den THD eines DAS zu charakterisieren, sollte der Systemeingang nach Möglichkeit mit einer idealen, verzerrungsfreien Sinuswelle angesteuert werden. Auf diese Weise kann am Ausgang des DAS der THD-Wert gemessen werden, der durch die Nichtlinearitäten des Systems hervorgerufen wird.

Um sicherzustellen, dass der am Ausgang gemessene THD-Wert auf die Nichtlinearität des DAS zurückzuführen ist, sollte ein Signalgenerator zum Einsatz kommen, dessen Verzerrungen gegenüber denen des zu prüfenden DAS vernachlässigbar gering sind. Die Mehrzahl der Signalgeneratoren aber ist nicht gut genug für Messungen an einem extrem verzerrungsarmen DAS mit einem THD-Wert von besser als –120 dB. Zur Evaluierung des DAS und zur Gewährleistung guter Messungen ist es deshalb notwendig, die Verzerrungseigenschaften des Signalgenerators zu verbessern.

Das Datenerfassungssystem und der Prüfaufbau

Das DAS ist in seinem Haupt-Signalweg mit verzerrungs- und rauscharmen Bauelementen bestückt. Die beschriebenen Experimente wurden mit dem MAX11905DIFEVKIT, einem DAS mit großem Dynamikbereich und extrem geringen Verzerrungen, durchgeführt. Dieses System enthält drei Haupt-Bauteile:

  • MAX44205: Echter Differenzverstärker mit einem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt von 180 MHz und einem Rauschen von 3 nV (RMS).
  • MAX11905: Rein differenzieller SAR-A/D-Umsetzer (ADU) mit 20 bit Auflösung, 1,6 MS/s und geringer Leistungsaufnahme
  • MAX6126: Extrem präzise und äußerst rauscharme Serien-Spannungsreferenz

Die Rausch- und Verzerrungseigenschaften der Bauelemente in der Signalkette sind in der Tabelle zusammengefasst.

FunktionTeilSNR (dB)SFDR (dB)THD (dB)HD2 (dB)HD3 (dB)Rauschen (RMS, nV)
VerstärkerMAX44205 NANANA-142-1243
ADUMAX11905-98,3125-123NANANA
ReferenzMAX6126NANANANANA0,1969
Tabelle. Qualitätsdaten der Bauelemente in der DAS-Signalkette

Bild 1 gibt den Prüfaufbau wieder, mit dem die dynamischen Eigenschaften des DAS gemessen wurden. Bei dem verzerrungsarmen Signalgenerator handelt es sich um ein Gerät des Typs Audio Precision (AP) 2722.

Mit diesem Signalgenerator wird ein rein differenzielles Sinussignal von 10 kHz erzeugt. Dieses gelangt an den für eine Verstärkung von 1 V/V konfigurierten Treiber MAX44205. Der ADC MAX11905 arbeitet in der rein differenziellen Betriebsart und erhält vom MAX6126 eine Referenzspannung VREF von 3 V. Signalanalysator und ADC sind mit ein und demselben Taktgenerator zueinander synchronisiert, um eine kohärente Signalerfassung zu gewährleisten.