Automatisierte Charakterisierung von Analog-Digital-Wandlern mit PXI, LabVIEW und DIAdem

- Manfred Pauritsch, Hochschule für Angewandte Wissenschaften

„PXI ermöglichte uns, die Qualität unserer A/D-Wandler-Charakterisierung erheblich zu verbessern und Testkosten senken, indem wir wertvolle Testentwicklungszeit sparen.“

- Manfred Pauritsch, Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Die Aufgabe:

Es wurden vorhandene Benchtop-Geräte durch ein vollautomatisches Messsystem zur genauen Charakterisierung von Analog-Digital-Wandlern (A/D-Wandlern) ersetzt, um die Qualität zu verbessern, Kosten zu senken und Testentwicklungszeiten zu verkürzen.

Die Lösung:

Erstellen eines auf PXI-Komponenten basierenden Messsystems, das eine Vielzahl von Messungen durchführt, einschließlich Integral-Nichtlinearität (INL), Differential-Nichtlinearität (DNL) und Signal-Rausch-Verzerrung (SINAD), um A/D-Wandler aus der SLI-Produktlinie von Austriamicrosystems zu charakterisieren.

Autor(en):

Manfred Pauritsch – University of Applied Sciences
Wolfgang Koren –Austriamicrosystems

 

Bevor wir unsere integrierten Schaltungen in die Vollproduktion bringen, müssen wir ihre Leistung über einen gegebenen Temperaturbereich unter Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Stichproben gründlich testen. Durch die Implementierung dieses Prozesses können wir unseren Kunden hochwertige Bauelemente anbieten.

 

austriamicrosystems ist ein weltweit führender Hersteller für die Entwicklung und Herstellung leistungsstarker integrierter Analogschaltungen (ICs).  Wir setzen unser Know-how ein, um weltweit erstklassige Produkte mit geringer Leistung und hoher Genauigkeit für Kommunikations-, Industrie-, Medizin- und Automobilmärkte bereitzustellen. Wir entwickeln und produzieren branchenführende analoge Halbleiter, einschließlich leistungsstarker Standardprodukte und benutzerdefinierter Lösungen.

 

In Zusammenarbeit mit der Abteilung Automation Systems der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Graz, Österreich, entwickelten wir ein vollautomatisches Messsystem auf PXI, das die genaue Charakterisierung von A/D-Wandlern unterstützt. Wir haben dieses Messsystem verwendet, um A/D-Wandler aus der SLI-Produktlinie (Standard Linear) von Austriamicrosystems zu charakterisieren.

 

Charakterisierung von A/D-Wandlern

Unser Portfolio von Standardprodukten für A/D-Wandler enthält 10- und 12-Bit-Wandler, die mit sehr geringem Stromverbrauch mit bis zu 400 kS/s abtasten können.

 

Jedes Produkt verwendet eine serielle oder parallele digitale Verbindung mit einem Mikrocontroller. Unsere A/D-Wandler bestehen aus Single-Ended- und true-differentiellen Produkten mit bis zu acht Kanälen.

 

Messsequenz für einen A/D-Wandler

Wir haben die A/D-Wandler-Messungen in neun verschiedene Gruppen unterteilt, die alle Parameter für den Chip abdecken. Zusätzlich zu den jeweiligen Datenblattparametern haben wir zusätzliche Spezifikationen festgelegt, die mit der Wandlerqualität zusammenhängen und wertvolle Ergebnisse für die weitere Entwicklung liefern. Zu den Testgruppen für den A/D-Wandler gehören:

 

1) Dynamische Leistung

    a. Signal-Rausch-Verzerrungs-Verhältnis (SINAD)
    b. SNR – Signal-Rausch-Verhältnis
    c. THD – Gesamtklirrfaktor
    d. EOB – Effektive Anzahl von Bits (EOB)
    e. PHSN – Spitzenklirrfaktor (PHSN)

 

2) Statistische Leistung

    a. INL – Integral-Nichtlinearität
    b. Differentielle Nichtlinearität

 

3) Offset-Leistung (Offsets, Verstärkungen)

 

4) Intermodulationsverzerrungsleistung

    a. IMD – Intermodulationsverzerrung
    b. ISO – Isolation
    c. Terme zweiter/dritter Ordnung

 

5) Logikeingänge (High/Low-Eingangsspannungen)

6) Interne Leistung (Bandgap, VBG, TK, IREF, VREF)

7) Energieleistung (Stromverbrauch, VREF)

8) Dauer

9) Widerstands- und Kapazitätsleistung (analoge/logische Eingangskapazität, Eingangsimpedanz)

 

Durch die Automatisierung der Messsequenz haben wir eine große Anzahl von Wandlern aus der laufenden Produktion beschrieben, um über die Produktionstoleranzen ein kohärentes statistisches Bild der jeweiligen Parameter zu erhalten.

 

Messhardware von NI

Wir haben die Komponenten für das Messsystem unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit ausgewählt. Wir wollten, dass das endgültige System mit synchronisierten Signalen zur Erzeugung und Erfassung vollständig automatisiert werden soll. Der Kern des Systems ist ein PXI-Chassis von NI, das einen Arbiträrgenerator des Typs NI PXI-5422, einen Digitalsignalgenerator/Analysator des Typs NI PXI-6552, eine Source Measure Unit des Typs NI PXI-4130, eine programmierbare Stromversorgung des Typs NI PXI-4110 und ein Multifunktions-Datenerfassungsmodul (DAQ) des Typs NI PXI-6259 enthält.  Im Folgenden wird beschrieben, wie jedes dieser Messgeräte in unserem System verwendet wurde.

 

Beim PXI-5422 handelt es sich um einen Arbiträrgenerator (ARB) mit 16 bit und 200 MS/s für Zeit- und Frequenzbereichsmessungen, die eine hohe Bandbreite erfordern. Wir haben das ARB verwendet, um eine Vielzahl von Analogmustern für INL, DNL, SNR und eine Reihe anderer Spezifikationen an den A/D-Wandler zu senden, um seine Leistung zu charakterisieren.  Die von PXI bereitgestellte Synchronisation ermöglichte es uns, den ARB als phasenkohärenten Mehrkanalgenerator zu verwenden.

 

Das Modul PXI-6552 ist ein Digitalsignalgenerator/-analysator mit 100 MHz, der 20 Digital-I/O-Kanäle mit programmierbaren Spannungspegeln für VOH, VOL, VIH und VIL bereitstellt.  Der Digitalgenerator/Analysator hat die Ausgabe vom A/D-Wandler erfasst und mit dem ARB synchronisiert, um ein eng korreliertes Mischsignal-System zu erzeugen.

 

Die vier Quadranten-SMU (Source Measure Unit) PXI-4130 und die programmierbare PXI-4110-Stromversorgung wurden für parametrische Messungen am A/D-Wandler verwendet, die eine Stromauflösung von bis zu 1 nA erforderten.  Wir haben das Netzteil verwendet, um den A/D-Wandler mit Strom zu versorgen und den Versorgungsstrom zu überwachen, während die SMU zur Charakterisierung von hohen und niedrigen Spannungspegeln von Digitaleingängen verwendet wurde oder um Strom an Digitalausgängen zu liefern/zu senken, um eine Buslast zu simulieren, die vom A/D-Wandler gesteuert werden könnte.

 

Das PXI-6259 ist ein Mischsignal-Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungsmodul mit einer Vielzahl von analogen und digitalen I/O-Funktionen.  Mit diesem Modul konnten wir die Standardverwaltungsinformationen erfassen und internen Schalter auf der Analysekarte steuern, um verschiedene Testmodi auf dem A/D-Wandler auszuwählen.

 

 

Die Messstation besteht außerdem aus einem programmierbaren Netzteil, drei Multimetern, einem 100-MHz-Oszilloskop, einem 400-MHz-Digitalisierungs-Oszilloskop und einem externen Funktions-/Arbiträrgenerator. Wir haben diese Messgeräte in Verbindung mit einer Temperaturkammer oder einem Thermostream zur Temperaturcharakterisierung verwendet, um Messungen im gesamten angegebenen Temperaturbereich des A/D-Wandlers durchzuführen.

 

Die Hochschule für Angewandte Wissenschaften hat eine Analyseplatine (vgl. Abbildung 3) mit einem intelligenten Design entwickelt, um eine nahezu vollautomatisierte Evaluierung des gesamten A/D-Wandlers zu unterstützen. Zur Automatisierung der Messungen haben wir analoge Signale vom Arbiträrgenerator direkt über ein Präzisionsrelais an die jeweiligen Eingänge des A/D-Wandlers geschaltet. Das Ansprechverhalten des A/D-Wandlers wird mit dem digitalen Signalverlaufsanalysator gemessen. Außerdem haben wir das Hochgeschwindigkeitsdigitalmessgerät zur Steuerung der digitalen Steuerleitungen für den A/D-Wandler verwendet und sowohl den Arbiträrgenerator als auch die Hochgeschwindigkeits-Digitalmessgeräte mithilfe des T-Takts von NI synchronisiert, was schnelle und optimierte Messzyklen garantiert.

 

Messsoftware

Wir haben das komplette Erfassungs- und Steuerungssystem mithilfe vonNI LabVIEWentwickelt. LabVIEW-VIs steuern das Messsystem, das wir für verschiedene Routinehandlungen wie die Erzeugung von Gruppenmustern, die Erfassung digitaler Signale und die Erzeugung/Erfassung analoger Signale in SubVIs aufgeteilt haben. Jedes SubVI steuert die jeweiligen Tasks für eine Routinearbeit und mögliche spezielle Parameter. Die Aufteilung jeder Routinehandlung in SubVIs bietet zusammen mit einer musterorientierten Struktur eine hohe Flexibilität und gewährleistet die Wiederverwendbarkeit beim Testen neuer Produkte.

 

 

Nach Abschluss der Ausführung von LabVIEW werden die Testdaten an die NI-DIAdem-Software übertragen, mit der zuvor ein vollautomatisiertes Messprotokoll erstellt wurde.

 

Im Bild links in Abbildung 4 sehen Sie einvon NI DIAdem erzeugtes Protokoll mit dynamischen Leistungswerten für SINAD, SNR, THD, EOB und PHSN.  Das Bild rechts in Abbildung 4 ist ein Protokoll, das die statistische Leistung aus INL und DNL anzeigt.

 

 

 

Optimierung von Testzeiten, Kosten und Qualität der A/D-Wandler-Charakterisierung

Unser Testsystem demonstriert, wie ein gut entwickeltes Messsystem mit handelsüblichen Hardware- und Softwarekomponenten mit PXI die Qualität der Halbleitercharakterisierung erheblich verbessern kann. Integrierte Systeme wie PXI bieten eng korrelierte Signale zur Erzeugung und Erfassung durch Taktsynchronisation zur Charakterisierung unserer A/D-Wandler. Mit PXI konnten wir die Qualität unserer A/D-Wandler-Charakterisierungstests erheblich verbessern und Testkosten senken, indem wir wertvolle Testentwicklungszeit einsparen. Das System ist für alle Charakterisierungsingenieure bei Austriamicrosystems zum Standard-A/D-Wandler-Testsystem geworden. Durch diesen Ansatz konnten wir wichtige und teure Analysezeit einsparen. Aufgrund des hohen Wiederverwendbarkeitsfaktors von Systemhardware und -software können wir auch künftige Projekte schneller realisieren.

 

Informationen zum Autor:

Manfred Pauritsch
Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Abbildung 3. Analyseplatine von AS1526
Abbildung 4: Mit der Software NI DIAdem werden automatisch Protokolle erzeugt, die die statistische Leistung des A/D-Wandlers zusammenfassen.
Abbildung 1: Typische Beschreibung der Ein- und Ausgangssignale eines A/D-Wandlers
Abbildung 2: A/D-Wandler erfordern in der Regel einfache Steuerbusse wie I2C mit verschiedenen Abtast- und Stromnennwerten.