Achillesferse im Test

Kommunikations- und Messgeräte verfügen fast immer über einen digitalen und einen analogen Teil, häufig auf ein und derselben Platine. Und dort, wo beide Welten zusammenstoßen, im A/D-Wandler, ist ein kritischer Punkt...

Kommunikations- und Messgeräte verfügen fast immer über einen digitalen und einen analogen Teil, häufig auf ein und derselben Platine. Und dort, wo beide Welten zusammenstoßen, im A/D-Wandler, ist ein kritischer Punkt, da er anfällig für Probleme aus beiden Sphären ist. Dieser Artikel geht auf einige der Probleme ein, die beim Test und Einsatz solcher Bausteine auftreten können, und vermittelt einige Tipps, wie Entwickler ihre Anwendungen systematisch testen können.

Zu Anfang gleich der wichtigste Tipp: Jeder Entwickler sollte sich ein Referenzboard für seinen Analog/Digital-Wandler (ADC) besorgen. Jede Anwendung bringt ihre eigenen Anforderungen hinsichtlich Dynamikumfang, Bandbreite, Eingangsfrequenz und Samplerate mit. Weitere Parameter, die gleichermaßen wichtig sein können, sind Anforderungen an die Spannungsversorgung sowie die Art der digitalen Schnittstelle (LVDS, asymmetrisches CMOS sowie der Ausgangsspannungspegel der CMOS-Signale). Diese Anforderungen schränken die Auswahl der in Frage kommenden ADCs ein. Der nächste Schritt besteht darin, den jeweiligen Baustein einem gründlichen Test zu unterziehen.

Eben dafür ist ein gutes Referenzboard nötig. So stellt zum Beispiel der Hersteller Linear Technology für alle seine A/D-Wandler entsprechende Angebote zur Verfügung, die ausgiebig getestet wurden, sodass sie die im Datenblatt angegebenen Spezifikationen einhalten oder sogar übertreffen. Dies ist aus zwei Gründen wichtig: Erstens werden dem Schaltungsentwickler damit viele wichtige Entscheidungen hinsichtlich des Layouts bereits abgenommen. So kann er das Referenzboard einfach als Vorlage für sein eigenes Layout verwenden, um eine Performance zu erreichen, welche das Datenblatt verspricht (oder diese sogar zu übertreffen). Zweitens deuten Testergebnisse mit dem Board, die weitaus schlechter oder besser sind, als laut Spezifikationen zu erwarten wäre, darauf hin, dass der Test selber fehlerbehaftet ist. Einige bei Tests auftretende Probleme sind recht subtiler Natur. Methoden, diese zu vermeiden oder entsprechend zu berücksichtigen, werden im Folgenden beschrieben.

Sobald der Entwickler das Referenzboard in Händen hält, sollte er es sicherheitshalber einmal anschließen und sich selber davon überzeugen, dass die Spezifikationen aus dem Datenblatt auch eingehalten werden. Die Testbedingungen umfassen eine Samplerate (normalerweise die maximal für das Bauteil empfohlene) sowie eine Eingangsfrequenz. Zwei Signalgeneratoren sind für einen grundlegenden Test von Signal-Rausch-Abstand (Signal to Noise Ratio, SNR), Klirrfaktor (Total Harmonic Distortion, THD) und der Kombination dieser Werte (Signal to Noise and Distortion, SINAD; manchmal auch: THD+N) erforderlich. Letzterer Wert dient üblicherweise als Berechnungsgrundlage für die »effektive Anzahl von Bits« (Effective Number of Bits, ENOB), die ein ADC erreichen kann.

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Wenn der Schaltungsentwickler die Leistungsfähigkeit des A/D-Wandlers mithilfe des Referenzboards validiert hat, besteht der nächste Schritt darin, den Baustein in sein Design zu integrieren. Zwar unterscheiden sich die Endanwendungen für Hochgeschwindigkeits-ADCs in hohem Maße voneinander, aber es gibt ein paar universell gültige Designprinzipien. Zuerst sollte der Entwickler das Layout des Referenzboards möglichst genau kopieren. Besonderes Augenmerk sollte er dabei auf die Platzierung von Überbrückungskondensatoren, Kondensatoren zur Referenzkompensation, Masseflächen und die Trennung von Taktsignal, Eingangssignal und Datenleitungen legen. Das Taktsignal muss er wie ein Analogsignal behandeln, selbst wenn es ein Rechtecksignal ist. Ebenso muss er alle Digitalschaltkreise, welche das Taktsignal durchläuft, wie analoge Komponenten behandeln. Falls ein FPGA oder DSP als Frequenzteiler für das Taktsignal zum Einsatz kommt, muss ein Flip-Flop, das von einem Taktgenerator mit niedriger Taktschwankung gesteuert wird, das geteilte Signal neu synchronisieren. Dieses Flip-Flop ist jetzt ebenfalls eine »analoge« Komponente und muss von einer sauberen, analogen Stromquelle versorgt werden.

Schließlich sollte der Schaltungsentwickler noch einige Funktionen vorsehen, die ihm das Testen und die Problembehebung erleichtern. So sollte er zum Beispiel den analogen Signalpfad an einigen Stellen auftrennen können, sodass er gegebenenfalls ein Testsignal einspeisen kann. Außerdem sollte er eine Möglichkeit vorsehen, direkt vom A/D-Wandler, das heißt ohne digitale Signalverarbeitung, eine Reihe von Daten abgreifen zu können. In der Praxis dürfte eine Platine für ein System für die Kommunikationsinfrastruktur zwar wahrscheinlich nie mit einer so einfachen Quelle wie einem einzelnen Sinussignal zu tun haben, aber wenn man einen A/D-Wandler auf dieselbe Weise testet, wie in seinem Datenblatt vorgesehen, kann dies eine große Hilfe sein, im späteren Verlauf auftretenden Problemen auf die Schliche zu kommen.

Siehe auch:

Wandeln und sparen