Serie LabVIEW in der Praxis Analog-Digital-Umsetzer automatisch charakterisieren

Bevor Halbleiterkomponenten auf den Markt kommen, muss die gesamte Performance über alle Temperaturbereiche an einer entsprechenden Anzahl von Produktionsteilen nachgewiesen werden. Dazu wurde ein fast vollautomatisches Mess-System entwickelt, das Analog-Digital-Umsetzer charakterisieren kann. Hardware-Grundlage war ein aus PXI-Komponenten aufgebautes Mess-System.

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Kriterien für die Auswahl der Komponenten waren Präzision und Automatisierbarkeit. Der Kern des Systems bildet eine PXI-Einheit: die Multifunktions DAQ Karte PXI-6259, den Arbiträrsignalgenerator PXI-5422 sowie den digitalen Waveformgenerator PXI-6552 enthält.

Das PXI-6259 Modul verfügt über 32 Analogeingänge, eine Abtastrate von 1,25 MS/s pro Kanal, vier Analogausgänge, 48 Digital-I/O-Kanäle, korrelierte Digital-I/O-Kanäle bis zu 10 MHz, sieben programmierbare Eingangsbereiche (±100 mV bis ±10 V) pro Kanal, analoge und digitale Trigger sowie zwei Counter/Timer.

Arbiträrsignalgenerator verarbeitet 200 MS/s

Mit 200 MS/s verarbeitet der 5422 auf 16 Bit beruhende Arbiträrsignalgenerator sowohl für Zeit- als auch Frequenzbereiche. Durch den gemeinsam genutzten Signalform- und Sequenzspeicher (SMC) von 512 MByte ist bei gemischten Signalen der Betrieb als Phasenkohärenter Mehrkanalgenerator möglich. Das bedeutet, dass eine Synchronisation im Subnanosekunden-Bereich mit anderen PXI-Modulen welche ebenfalls die SMC-Technologie einsetzen, möglich ist.

Das Modul PXI-6552 ist ein digitaler Waveform Generator, der 100 MHz auf 20 Kanäl verarbeiten kann.. Er verfügt über einen ON-Board Speicher in der SMC-Technologie. Daneben besteht der Messplatz aus einer programmierbaren Spannungsversorgung, drei Multimeter, einem Oszilloskop mit100 MHz, einem 400-MHz-Digitizing-Oszilloskop sowie einem externen Funktions/Arbitrary-Waveform-Generator. Die Temeraturen lassen sich durch Temperaturschrank oder einen Thermostream erfassen.

Synchronisation von Generator und A/D-Umsetzer

Das Analyse Board (Bild 2) wurde vollständig am Campus 02 entwickelt und unterstützt durch sein intelligentes Design eine fast vollautomatische Evaluierung des gesamten Analog-Digital-Umsetzers. Zur automatisierten Messung werden die analogen Mess-Signale aus dem übergeordneten PXI-Messsystem direkt über Präzisions-Relais an die entsprechenden Eingänge des Analog-Digital-Umsetzers geschaltet. Während die analogen Messsignale vom Arbiträrsignalgenerator eingespeist werden können, wird die digitale Schnittstelle vom Digital-Waveform-Generator bedient. Beide Module wurden miteinander synchronisiert.

Komplettes Mess-System als Hauptroutine

Das gesamte Messsystem wurde in einer LABview-Hauptroutinen integriert, welche die Gruppen Patterngenerierung, Analog-Signalgenerierung und Analogsignalerfassung sowie den digitalen Erfassungsroutinen untergliedert ist. Für die einzelnen Teilaufgaben wurden Untergruppen definiert, die die jeweiligen Aufgaben zu den einzelnen Spezialparametern steuern. Nach Abschluss jeder einzelnen Untergruppe werden die strukturierten Daten an DIAdem weitergegeben, welches dann für eine vollautomatische Erstellung des Messprotokolls verantwortlich ist.

Sämtliche Messaufgaben wurden in neun verschiedene Unterpakete unterteilt, welche das gesamte Parameterspektrum des zu untersuchenden Analog-Digital-Umsetzer abdecken. Dabei wurden über die jeweiligen Datenblattparameter hinaus noch weiter Werte charakterisiert, welche eine Korrelation mit der Qualität des Wandlers ermöglichen und wertvolle Erkenntnisse für Weiterentwicklungen leisten kann.

Die beschriebenen Untergruppen sind:

• Dynamik-Performance (SINAD, SNR, THD, EOB, PHSN),
• Statische-Performance (DNL, INL),
• Offset-Performance (Offsets, Gains),
• Intermodulation Distortion Performance (IMD, Second/Third Order Terms, ISO),
• Logik Inputs (Input High/Low Voltage),
• Interne Performance (Bandgap, Vbg, TK, Iref, VRef),
• Leistungs-Performance (Current consumption, Vref),
• Timings und
• Widerstand- und Kapazitäts-Performance (Analog/Logical Input Capacitance, Input Impedance)

Dank des automatisierten Messablaufes war es möglich, eine entsprechend große Anzahl von Wandler aus der laufenden Produktion zu charakterisieren. Im Bild 3 ist ein automatisch erstelltes Protokoll der Dynamik Performance mit Werten für Signal to Noise and Distortion Ratio(SINAD), Signal to Noise Ratio (SNR), Total Harmonic Distortion (THD), Effective Number of Bits (EOB) und Peak Harmonic or Spurious Noise(PHSN) zu sehen. Weiterhin ist das automatische Protokoll zum Messen der Statischen-Performance aus Differential Nonlinearity (DNL) und Integral Nonlinearity (INL) zu sehen.

*Wolfgang Koren arbeitet bei der austriamicrosystems in Unterpremstätten und Dipl. Ing. Dr. techn. Manfred Pauritsch arbeitet am Campus02 an der Fachhochschule der Wirtschaft in Graz.

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