Präzise analoge Charakterisierung auf Instrumentenniveau mit einer Komplettlösung für Quelle und Messplattform

Das Aufkommen immer präziserer Wandler und extrem rauscharmer Analogsysteme führt zu einem wachsenden Bedarf an Testlösungen, die eine genauere Charakterisierung der Leistung ermöglichen. Es ist zwar möglich, zu diesem Zweck eigene Plattformen zu entwickeln, doch ist dies mit Kosten und Verzögerungen verbunden. Herkömmliche Aufbauten, die aus separaten Generatoren und Analysatoren bestehen, können ihrerseits Verzerrungen und Schwankungen verursachen, die die Genauigkeit beeinträchtigen und die Anforderungen an die Charakterisierung dieser Geräte und Systeme nicht erfüllen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen bei der Entwicklung fortschrittlicher Audio-, Mischsignal- und automatisierter Testumgebungen. Anschließend wird eine gebrauchsfertige, integrierte Präzisionsquellen- und Messplattform von Analog Devices vorgestellt, die eine extrem verzerrungsarme Stimuluserzeugung und hochauflösende Messungen ohne die Nachteile einer komplexen Instrumentierung ermöglicht.

Wachsende Anforderungen an die Erzeugung von Stimuli und Messmöglichkeiten

In den Bereichen Präzisions-Audio-, Mischsignal- und automatisierte Testumgebungen benötigen Ingenieure zunehmend Leistung auf Instrumentenniveau in kompakter, integrierter Form. Das Testen von hochauflösenden Analog/Digital-Wandlern (ADCs), die Validierung der Audio-Bandtreue für Kopfhörer, Mikrofone und Hörgeräte sowie die Unterstützung von Arbeitsabläufen mit hohem Durchsatz bei automatischen Testgeräten (ATE) stellen immer höhere Anforderungen an Stimulusquellen und Messmöglichkeiten.

Hochleistungstests hängen von außergewöhnlich reinen Sinuswellenstimuli und geringem Breitbandrauschen ab, so dass alle Verzerrungs- und Rauschbeiträge der Quelle weit unter denen des zu prüfenden Geräts (DUT) bleiben. Für die dynamische Analyse und die Auswertung der schnellen Fourier-Transformation (FFT) sind kohärente Abtast- oder Fensterfunktionen erforderlich, um spektrale Leckagen zu reduzieren und die Messgenauigkeit zu erhalten, wenn Kohärenz nicht anders erreicht werden kann.

Die Nachfrage nach Audiogeräten mit höherer Klangtreue macht saubere, wiederholbare Töne und Mehrtonmuster über das gesamte Audioband erforderlich, um Verzerrungen, Intermodulationen und Rauschanteile aufzudecken. Diese Anforderungen gelten auch für automatisierte Testumgebungen, in denen Produktionsabläufe mit hohem Durchsatz auf ein deterministisches Stimulusverhalten, vordefinierte Wellenformprofile und stabile Kalibrierungsbedingungen angewiesen sind.

Die Entwicklung von Mischsignalanwendungen profitiert ebenfalls von Stimulusquellen, die Gleichstrom- (DC), Sinus-, Dual-Tone- und Arbitrary-Wellenformen erzeugen können, um die Evaluierung über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen zu unterstützen.

Die Plattform ADMX1001B von Analog Devices bietet die Kombination von Eigenschaften, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen erforderlich sind.

Wie die Plattform ADMX1001B eine präzise Charakterisierung ermöglicht

Der nur 40 mm × 60 mm große ADMX1001B von Analog Devices ist ein SoM (System-on-Module), das die für eine präzise Audioband-Evaluierung unter Verwendung von Einzelton-, Zweiton-, Gleichstrom- und Arbiträrwellenformen erforderliche Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Steuerbarkeit bietet. Die Architektur des ADMX1001B basiert auf einem SoC (System-on-Chip), der die Wellenformsynthese, das Timing und den Speicher verwaltet und gleichzeitig Mustersteuerung-, Housekeeping- und Überwachungsfunktionen integriert. Von diesem SoC verwaltet, sorgen dedizierte Signalketten für die Präzisionswellenformerzeugung und die Messfunktionen des SoM (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der SoM ADMX1001B integriert dedizierte Signalketten zur Wellenformerzeugung und -erfassung unter der Kontrolle eines Onboard-SoCs, um eine präzise Audioband-Auswertung zu unterstützen. (Bildquelle: Analog Devices)

Eine zuverlässige Charakterisierung erfordert eine Stimulusquelle, die eine deutlich geringere harmonische Verzerrung als das Messobjekt aufweist und gleichzeitig die Linearität über den erforderlichen Amplituden- und Frequenzbereich beibehält, ohne Artefakte bei der Filterung oder Rekonstruktion zu erzeugen. Der ADMX1001B erreicht die für Audioband-Geräte der nächsten Generation erforderliche Leistung, indem er Töne mit einem typischen Klirrfaktor von -130 dB (THD) erzeugt.

Um diese Performance zu erreichen, wendet der ADMX1001B mehrere Techniken an. Die volldifferenzielle Signalkette des SoM leitet das Ausgangssignal des 20-Bit-Digital/Analog-Wandlers (DAC) durch Signalaufbereitungsstufen, die die mit den DAC-Code-Übergängen verbundene Glitch-Energie herausfiltern und die außerbandigen spektralen Repliken oder Bildkomponenten des gewünschten Analogsignals, die bei einem Vielfachen der Abtastrate auftreten, abschwächen.

Der ADMX1001B verbessert die Ausgangsreinheit von Einzeltönen bis zu 20 kHz durch einen patentierten DPD-Algorithmus (Digital Pre-Distortion), der nur einmal ausgeführt werden muss, um die Linearität für eine bestimmte Frequenz-Amplituden-Kombination zu verbessern. Unter Verwendung des Ausgangssignals, das durch den DPD-Messpfad (VSENSEP und VSENSEN in Abbildung 1) zurückgeführt wird, rekonstruiert der DPD-Algorithmus das Ausgangssignal digital und vergleicht es mit einem Modell, um Korrekturparameter zu erzeugen, die die Reinheit der Sinuswelle erheblich verbessern (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Vergleich zum Einzeltonausgang ohne DPD (links) werden durch die Anwendung von DPD (rechts) die Oberwellenanteile deutlich reduziert und die spektrale Reinheit insgesamt verbessert. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADMX1001B speichert diese generierten Parameter als Wellenformprofile in einem nichtflüchtigen Speicher, der bis zu 15 Profile für Einzelton, Einzelton mit DPD, Doppelton und DC-Wellenformen sowie ein Profil für ein vom Benutzer erstelltes beliebiges Wellenformprofil (vorbehaltlich der Bandbreitenbeschränkungen des 27-kHz-Ausgangsfilters des SoM) enthält. Durch das Nachladen dieser Profile über die Hardware- oder Softwaresteuerung können die Benutzer während der Geräteprüfung schnell zwischen verschiedenen Wellenformtypen wechseln, ohne die Signalreinheit zu beeinträchtigen.

Auf der Messseite verfügt der ADMX1001B über ein analoges Frontend (AFE) mit sieben programmierbaren Messbereichen. Die Einstellung des geeigneten Messbereichs verhindert Clipping und erhält den vollen Dynamikbereich des SoM-Eingangskanals für Eingangssignale innerhalb der ±7,5-Volt-Differential- und ±7-Volt-Gleichtaktgrenzen des SoM. Dieser Signalpfad enthält auch einen Anti-Aliasing-Filter 4. Ordnung, der das Signal vor der Umwandlung durch den 24-Bit-ADC mit 256 Kilo-Samples pro Sekunde (kS/s) aufbereitet (siehe Abbildung 1). Da dieser Filter die nutzbare Erfassungsbandbreite definiert, werden höherfrequente Inhalte gedämpft, bevor sie den ADC erreichen. Während der Anti-Aliasing-Filter eine Unterdrückung von bis zu -130 dB bietet, erreicht der Erfassungskanal einen Gesamtdynamikbereich von bis zu 128 dB mit einem typischen Klirrfaktor von -115 dB (1-kHz-Eingangston mit voller Skala).

Zusammengenommen machen diese Möglichkeiten der Signalerzeugung und -erfassung das ADMX1001B zu einem kompakten Modul auf Instrumentenniveau, das hochreine Stimuli und synchronisierte Messungen liefert. Damit Entwickler diese Funktionalität in vollem Umfang nutzen können, bietet Analog Devices zwei Boards an, die eine sofortige Evaluierung der Fähigkeiten des ADMX1001B ermöglichen und dessen Zweck als einsatzbereite Präzisionstestbank unterstützen.

Schnelle Evaluierung mit einer kompletten Testbench-Umgebung

Analog Devices bietet eine vollständige Evaluierungsplattform an, die den ADMX1001B mit dem Evaluierungsboard EVAL-ADMX100X-FMCZ (Abbildung 3) und dem Controllerboard SDP-H1 (EVAL-SDP-CH1Z) kombiniert. Zusammen bilden diese Boards eine komplette Umgebung, die das SoM ADMX1001B mit einem Host-PC verbindet, Stromversorgung und Taktung bereitstellt und die Signalerzeugungs- und -erfassungspfade des Moduls für Konfiguration und Messung zugänglich macht.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard EVAL-ADMX100X-FMCZ bietet die Stromversorgung, das Signalrouting und die externen Anschlussmöglichkeiten, die für den Zugriff auf die Signalerzeugungs- und -erfassungspfade des ADMX1001B erforderlich sind. (Bildquelle: Analog Devices)

In dieser Konfiguration dient das Board EVAL-ADMX100X-FMCZ als primäre Schnittstelle für das SoM ADMX1001B, das über einen Mezzanine-Steckverbinder für die Stromverteilung und die Signalverbindungen mit der Platine verbunden ist. Die Ausgangsanschlüsse (OUTP/OUTN) ermöglichen den Zugang zur extrem verzerrungsarmen Quelle, während die entsprechenden differentiellen Eingangsanschlüsse (AINP/AINN) die Erfassung externer Signale oder Loopback-Konfigurationen unterstützen, die während der DPD-Kalibrierung verwendet werden. Über zusätzliche Anschlüsse werden der DPD-Erfassungspfad, Hardware-Trigger- und Synchronisationssignale sowie Moduswahlsteuerungen für Erzeugungs-, Erfassungs- und Kalibrierungsabläufe bereitgestellt.

Die Evaluierungsplatine EVAL-ADMX100X-FMCZ wird über einen FMC-Anschluss mit dem Highspeed-Controllerboard SDP-H1 (Abbildung 4) verbunden, die die USB- und Highspeed-Parallelschnittstellen bereitstellt, die für den Betrieb des ADMX1001B über einen Host-PC erforderlich sind. Das Controllerboard, das auf einem speziellen FPGA (Field-Programmable Gate Array) und einem digitalen Signalprozessor basiert, versorgt das Evaluierungsboard mit Strom und verwaltet die USB-Kommunikation, die Konfigurationsübertragung, das Laden von Profilen und die Highspeed-Datenerfassung.

Abbildung 4: Die Verbindung des Evaluierungsboards mit dem Controllerboard SDP-H1 vervollständigt das System für die Konfiguration des ADMX1001B, die Erzeugung von Wellenformen und die Signalmessung. (Bildquelle: Analog Devices)

Analog Devices bietet das Software-Tool ADMX100X mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) zur Verwaltung der Wellenformerzeugung, des DPD-Trainings und der Erfassungseinstellungen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein Software-Tool mit einer grafischen Benutzeroberfläche hilft bei der Verwaltung der Wellenformerzeugung, der Erfassungssteuerung und der DPD-Kalibrierung. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit dem Software-Tool können Entwickler Wellenformtypen auswählen, Klangparameter anpassen, beliebige Muster laden und zwischen gespeicherten Profilen wechseln. Beim DPD-Training koordiniert das Tool die Stimuluserzeugung, die Erfassung des Messpfads und die Berechnung der Korrekturparameter und ermöglicht es dem Benutzer, das Profil im nichtflüchtigen Speicher zu speichern. Das Tool zeigt auch die Messbereiche des Erfassungskanals und die Abtaststeuerungen für die Erfassung im Zeitbereich, die FFT-Anzeige und den Sample-Export aus dem ADC. Durch den einfachen Zugriff auf die Hardware-Einstellungen vereinfacht die GUI die Einrichtung und die volle Nutzung der Funktionen des ADMX1001B für die Erzeugung und Messung von Präzisionsstimuli.

Fazit

Da immer mehr fortschrittliche Audioband-Wandler und Mischsignal-Systeme auf den Markt kommen, führen typische Prüfstandskonfigurationen häufig zu Verzerrungen und Schwankungen, die die Genauigkeit und Wiederholbarkeit von Leistungsmessungen einschränken. Die integrierte Wellenformerzeugungs- und Messplattform von Analog Devices bietet die extrem niedrige Verzerrung und das geringe Rauschen, die für die zuverlässige Charakterisierung von hochauflösenden Geräten erforderlich sind. Mit diesen Fähigkeiten können Entwickler die nächste Generation von Audioband-Wandlern und Subsystemen, die für High-Fidelity-Anwendungen bestimmt sind, effektiver bewerten.