Automatisierte Charakterisierung von Analog-Digital-Umsetzern

Manfred Pauritsch, University of Applied Sciences

"Dieses Beispiel zeigt sehr schön das durch ein gut durchdachtes Messsystem, welches mit der jeweiligen Software optimal zusammenspielt, die Qualität der Charakterisierung von Halbleiterkomponenten erheblich verbessert werden kann."

- Manfred Pauritsch , University of Applied Sciences

Die Aufgabe:

Entwicklung eines auf PXI basierten, fast vollautomatischen Messsystems zur Charakterisierung von Analog-Digital-Umsetzern mit höchster Performance.

Die Lösung:

Messungen welche, wie die Charakterisierung von ADCs eine absolute Korrelation zwischen erzeugten und aufgenommenen Signal voraussetzen sind nur durch integrierte Systeme, wie das PXI, mit dClock Synchronisation möglich.

Autor(en):

Manfred Pauritsch - University of Applied Sciences
Wolfgang Koren - austriamicrosystems

 

Eingesetzte Produkte: NI PXI, NI LabVIEW, NI DIAdem

 

Die eingesetzten NI-Produkte und Spezifikationen finden Sie weiter unten im Referenzsystem.

 

Kurzfassung

Bevor Halbleiterkomponenten als serienreifes Produkt endgültig auf den Markt kommen können, muss die gesamte Performance über alle Temperaturbereiche an einer ausreichenden Anzahl von Produktionsteilen nachgewiesen werden, um die hohen Qualität gegenüber den Kunden garantieren zu können. In einer Kooperation zwischen der austriamicrosystems AG in Unterpremstätten und den CAMPUS 02 in Graz wurde dazu ein fast vollautomatisches Messsystem entwickelt, welches die Charakterisierung von Analog-Digital-Umsetzern mit höchster Performance unterstützt. Mit Hilfe dieses auf PXI Komponenten basierendes Messsystems wurde bereits einige Umsetzer aus dem Bereich „Standardprodukte“ von austriamicrosystems, vollständig erfolgreich charakterisiert.

 

Beschreibung der charakterisierten Analog-Digital-Umsetzer

Das Standard Produkte ADC Portfolio von austriamicrosystems beinhaltet 10 bit und 12 bit Konverter mit einer Abtastrate bis 400 kS/s und den für austriamicrosystem Produkte typischen niedrigen Leistungsverbrauch.

 

Dabei sind Produkte sowohl mit serieller als auch mit paralleler digitalen Anbindung zum µC vorhanden. Analogseitig werden sowohl Single-Ended als auch True-Differential Produkte mit bis zu 8 Kanälen vom Produkt­spektrum abgedeckt.

 

Beschreibung der Mess-Hardware

Bei der Zusammenstellung und Auswahl der Komponenten für das Messsystem wurde auf eine hohe Präzision sowie eine gute Automatisier­barkeit Wert gelegt.

 

Der Kern des Systems ist eine PXI Einheit von National Instrument welches eine Multifunktions DAQ Karte (PXI-6259), einen Arbiträrsignal­generator (PXI-5422) sowie einen digitalen Waveformgenerator (PXI-6552) enthält.

  • Das PXI-6259 Modul von NI ist ein Multifunktions Datenerfassungsmodul mit hoher Geschwindigkeit, das auch bei schnellen Abtastraten eine hohe Präzision gewährleistet. Das 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.
  • Das PXI-5422 Modul ist ein 200 MS/s 16 bit Arbiträrsignal­generator der sowohl für Zeit- als auch Frequenzbereichs­anwendungen mit hohem Bandbreitenbedarf konzipiert wurde. Durch den gemeinsam genutzten Signalform- und Sequenzspeicher (SMC) von 512 MB ist bei Mixed-Signal Anwendungen 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 100 MHz Digital Waveform Generator der 20 Kanäle mit programmierbaren Spannungs-Level zur Verfügung stellt. Der Generator besitzt einen ON-Board Speicher in der SMC Technologie. Somit ist eine direkte Synchronisation mit dem Arbiträrsignalgenerator (PXI-5422) im Subnanosekunden-Bereich möglich.

 

Des weiteren besteht der Messplatz aus einer programmierbaren Power Supply, drei Multimeter, einem 100 MHz Oszilloskop, einem 400 MHz Digitizing Oszilloskop sowie einem externen Function/Arbitrary Waveform Generator. Die Temperaturcharakteristisierung können durch den Temperaturschrank bzw. einen Thermostream erfasst werden. Somit sind auch Messungen im gesamten spezifizierten Temperaturbereich mögliche.


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 Messsignale 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. Durch die Synchronisation dieser beiden Module kann eine hohe Performance, verbunden mit schnellen optimierten Messzyklen garantiert werden.

 

Beschreibung der Messsoftware

Das gesamte Erfassungs- und Steuersystem wurde unter LabVIEW realisiert. Dabei wird das Messsystem über LabVIEW-Hauptroutinen gesteuert welche in die Gruppen Patterngenerierung, Analog-Signal­generierung und Analogsignalerfassung sowie den digitalen Erfassungs­routinen untergliedert sind. 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. Durch die gute Untergliederung in SubVI und den patternorientierten Aufbau der Messroutinen ergibt sich eine hohe Flexibilität welche auch die Wiederverwendbarkeit für neue Projekte gewährleistet.

 

Beschreibung des Messablaufs

Die Messungen wurden in die bereits erwähnten 9 verschiedenen Unter­paketen 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
  • Widerstand und Kapazitäts-Performance (Analog/Logical Input Capacitance, Input Impedance …)

 


Durch die Automatisierung des Messablaufes war es möglich, bei jedem einzelnen ADC-Projekt, eine entsprechend große Anzahl von Wandler aus der laufenden Produktion zu charakterisieren damit sich ein gutes statistisches Bild der entsprechenden Parameter über die Produktions­toleranzen ergibt.

 

In Bild 3 ist das automatisch erstellte 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. Als weiteres Beispiel zeigt Bild 3 das automatische Protokoll für die Messung der Statischen-Performance bestehend aus Differential Nonlinearity (DNL) und Integral Nonlinearity (INL).

 

 

Zusammenfassung

Dieses Beispiel zeigt sehr schön das durch ein gut durchdachtes Messsystem, welches mit der jeweiligen Software optimal zusammenspielt, die Qualität der Charakterisierung von Halbleiterkomponenten erheblich verbessert werden kann. Messungen welche, wie die Charakterisierung von ADCs eine absolute Korrelation zwischen erzeugten und aufgenommenen Signal voraussetzen sind nur durch integrierte Systeme, wie das PXI, mit dClock Synchronisation möglich. Darüber hinaus war es möglich wichtige und teure Analysezeit einzusparen. Mit dem hohen Wiederverwertbarkeits­anteil der Hard- und Softwarekomponenten können auch zukünftige Projekte erheblich schneller realisiert werden.

 

Informationen zum Autor:

Manfred Pauritsch
University of Applied Sciences

Bild 3. Analysis Board of AS1526
Bild 4. NI DIAdem software is used to automatically generate logs summarizing the statistical performance of the ADC
Bild 1. Typical description of input and output signals on an ADC
Bild 2. ADC’s typically require simple control buses like I2C, with various sampling and current ratings.