Zdobądź dane o przetwornikach A/C spoza noty katalogowej

Firma LTX-Credence, producent systemów do automatycznego testowania (ATE), stworzyła zestaw narzędzi potrafiących analizować przetworniki takiej klasy jak AD7960, zaprojektowane pod kątem wymagających systemów pomiarowych i testujących. Narzędzia przygotowano dla systemów wymagających dokładnej analizy transmitancji lub bezpośrednich pomiarów sygnałów wyjściowych przy zadanych wymuszeniach na wejściu. Zestaw pozwala scharakteryzować parametry szumowe przetwornika AD7960 dla wszystkich kodów wejściowych, a nie tylko dla typowych w pomiarach sytuacji zwartych wejść, czy kilku arbitralnie wybranych poziomów napięcia.

Gdy dobieramy przetwornik A/C, warto wziąć pod uwagę jego ogólną wydajność i osiągi, wymiary oraz cenę. Poza tym, trzeba uważnie przyjrzeć się statycznym i dynamicznym parametrom w paśmie Nyquista. Niniejszy artykuł prezentuje zestaw narzędzi pozwalający spojrzeć na parametry przetworników niedostępne w notach katalogowych, a których znajomość umożliwia dobranie lepszego, precyzyjnego przetwornika do projektowanego systemu. Na potrzeby prezentacji zbadane zostaną za pomocą oprogramowania Signature Analysis Toolset charakterystyki modelu AD7960 firmy Analog Devices - 18-bitowego przetwornika typu PulSAR.

AD7960

Rys. 1. Funkcjonalny schemat blokowy, przedstawiający układ CAPDAC jako część pętli SAR (Successive Approximation Register)

Przedstawiony na rysunku 1 AD7960 to 18-bitowy, różnicowy przetwornik A/C o częstotliwości próbkowania 5 MS/s, wykorzystujący technologię CAPDAC (Capacitive Digital-to-Analog Converter), dzięki której ograniczono jego zniekształcenia i szumy oraz poprawiono liniowość, bez powiększania opóźnień. Przetwornik ten wraca do trybu akwizycji po około 100 ns od rozpoczęcia przetwarzania, a czas akwizycji wynosi około 50% całego cyklu.

Cechuje się więc prawie takim samym czasem akwizycji, jak następny najszybszy na rynku przetwornik z sukcesywną aproksymacją, przy czym jest dwukrotnie szybszy. Sprawia to, że AD7960 łatwo wysterować, a także pozwala obniżyć wymagania stawiane układowi wysterowującemu, jeśli chodzi o czas ustalania napięcia.

Przetwornik ma szerokie pasmo, dużą dokładność (typowe wartości parametrów: INL=±0,8 LSB, SNR=99 dB, THD=-117 dB) oraz krótki okres próbkowania (200 ns), wymagane w wyrafinowanych systemach akwizycji, a przy tym redukuje rozpraszanie ciepła i koszty w zastosowaniach wielokanałowych.

Cyfrowy interfejs przetworników z serii AD7960 wykorzystuje protokół LVDS (Low-voltage Differential Signaling), pracujący w dwóch trybach: Self-clocked oraz Echoed-clock, które pozwalają na realizację transmisji między przetwornikiem i układem hosta z taktowaniem do 300 MHz (CLK +/- i D +/-). Interfejs LVDS zmniejsza liczbę linii sygnałowych i ułatwia prowadzenie sygnałów, gdyż kilka urządzeń może współdzielić jeden zegar. Zmniejsza to także rozpraszanie ciepła, co jest szczególnie ważne w systemach z multipleksacją.

Tryb self-clocked upraszcza interfejs do procesora hostującego, umożliwiając skomplikowaną koordynację czasową dzięki nagłówkowi, który synchronizuje dane z każdej konwersji. Jest on szczególnie korzystny, gdy używamy w systemie wielu przetworników i gdy miejsce na płytce drukowanej, możliwości odprowadzania ciepła oraz opcje prowadzenia ścieżek są ograniczone.

Rys. 2. Zużycie energii przetwornika AD7960 zależy liniowo od przepustowości

Nagłówek jest konieczny, by cyfrowy host mógł odebrać dane, gdyż w trybie tym nie ma wyjściowego sygnału zegarowego zsynchronizowanego z danymi. Tryb echoed-clock jest natomiast użyteczny, gdy używamy kilku przetworników A/C, ale nie ma ograniczeń, jeśli chodzi o miejsce na płytce czy zużycie energii. Daje on bogate możliwości synchronizacji, ale kosztem dodatkowej pary wyprowadzeń (DCO+/-).

Przetwornik AD7960 można zasilać ze źródeł od 1,8 do 5 V, a jego emisja ciepła wynosi tylko 39 mW przy pracy w trybie self-clocked z częstotliwością 5 MS/s oraz 46,5 mW w trybie echoed-clock przy takiej częstotliwości. Emisja ciepła zależy liniowo od częstotliwości próbkowania, co przedstawiono na rysunku 2, dzięki czemu przetwornik ten jest dobrym wyborem w zastosowaniach wymagających niskiego zużycia energii. Emisja ciepła przy bardzo niskich częstotliwościach próbkowania jest zdominowana przez moc statyczną protokołu LVDS.

Układy serii AD7960 pozwalają używać każdej z trzech opcji wyjściowego napięcia odniesienia: 2,048, 4,096 i 5 V. Wbudowany bufor podwaja napięcie referencyjne 2,048 V, więc konwersja jest odnoszona do poziomu 4,096 lub 5 V.

Signature Analysis Toolset

Rys. 3. Dane dostarczone do narzędzi Signature Analysis pozwalają na wygenerowanie różnych rodzajów wykresów

Chcąc dotrzeć do informacji wykraczających poza tradycyjne noty katalogowe, prezentujemy w nieco uproszczonej formie zestaw narzędzi Signature Analysis, komunikujących się z przetwornikiem. Dzisiejsze noty katalogowe są dosyć ujednolicone, jeśli chodzi o strukturę i wartości prezentowanych parametrów, ponieważ rynek przetworników dotarł do punktu, w którym osiągi często są wymieniane na niską cenę i zużycie energii. Jaki jest jednak faktyczny koszt takiej wymiany? W niniejszym tekście skupimy się na odkrywaniu prawdziwych możliwości przetwornika.

Narzędzia Signature Analysis zawierają algorytmy, które przesuwają granice analizy danych do miejsca, w którym możemy te prawdziwe możliwości ocenić i to w stopniu wykraczającym poza to, co tradycyjnie znajdziemy w notach katalogowych. Zestaw został opracowany jako narzędzie ewaluacyjne mające stanowić pomoc w wyspecyfikowaniu następnej generacji komponentów do systemu Data Converter Test Module (DCTM) firmy LTXC.

Bezpośrednią konsekwencją sukcesu DCTM jest to, że narzędzia Signature Analysis dają możliwość weryfikacji, specyfikacji i charakteryzacji przetworników dla wszystkich kodów. DCTM oraz algorytmy przetwarzania danych, opracowane specjalnie pod kątem testowania przetworników pozwalają producentom układów scalonych zwiększyć wartość dodaną ich produktów. Jako najlepsza karta z kanałami dla sygnałów mieszanych, DCTM wyprzedza znane standardowe zestawy pomiarowe, gdy trzeba ocenić parametry przetworników oraz wytropić występującą w nich wymianę wydajności na mniejsze zużycie energii i cenę.

Zestaw Signature Analysis daje wartościowy wgląd w funkcję przenoszenia przetwornika A/C (rys. 3), która może pomóc użytkownikom końcowym wybrać konkretny model. Możliwość dokładnego określenia tej funkcji stanowi też cenną informację zwrotną dla zespołów projektowych, gdy chodzi o jej odchylenia od charakterystyki przetwornika idealnego. Identyfikacja odchyleń funkcji przenoszenia przetwornika nie jest niczym nowym, ale możliwość dokładnego określenia, gdzie dokładnie występują jest nieoceniona w procesie projektowym.

Badania przetwornika AD7960

Rys. 4. Liniowość przetwornika AD7960 określona przez: (a) nieliniowość całkową (INL) oraz (b) różniczkową (DNL) w ujęciu statycznym

W tym rozdziale pokazane zostaną informacje o przetworniku, które można uzyskać za pomocą oprogramowania Signature Analysis firmy LTX-Credence.

Liniowość i dynamika to dwa najważniejsze wymagania stawiane w testach przetwornikom wysokiej rozdzielczości. Testy te są analizowane i wyświetlane dla przetwornika AD7960 z użyciem zestawu Signature Analysis i przedstawione na rysunku 4. Parametry te można też znaleźć w nocie katalogowej układu.

W określaniu parametrów przetwornika AD7960 oraz całego systemu akwizycji sygnałów kluczowe są integralność sygnałów i parametry analogowych urządzeń pomiarowych. Fakt ten umyka często uwadze w odniesieniu do integralności sygnałów, gdy patrzymy tylko na ostateczne wyniki pomiarów. Układ dopasowujący testera, projekt referencyjny oraz źródło zasilania - wszystkie te elementy mają wpływ na widoczne na rysunku 5 parametry przetwornika.

Przetwarzanie danych z przetwornika AD7960 z wykorzystaniem Signature Analysis Toolset pozwala określić parametry szumowe przetwornika w całym zakresie dynamiki. Firma LTXC opracowała metodę rekonstrukcji szumów przetwornika wysokiej rozdzielczości dla wszystkich kodów wejściowych, której wyniki przedstawiono na rysunku 6.

Aby zwiększyć atrakcyjność produktu poprzez dostarczenie kompletnej noty katalogowej, można scharakteryzować parametry szumowe przetwornika dla wszystkich kodów, zamiast podawania tylko typowych wartości dla zwartych wejść, albo tylko kilku wybranych wartości. Metoda ta daje znacznie lepszy wgląd w pracę przetwornika oraz całego systemu akwizycji.

Rys. 5. Przetwornik AD7960 w ujęciu dynamicznym: pomiar z wykorzystaniem Signature Analysis Toolset wskazuje THD=-119,8 dB, SNR=99,2 dBFS i ENOB=16,2 bitów

Za pomocą tych informacji, pozyskanych za pomocą narzędzi Signature Analysis, można określić stabilność, przewidzieć SNR, powtarzalność i reprodukowalność oraz potencjalne problemy z szumami w zależności od kodu wejściowego. Takich danych nie da się znaleźć w dzisiejszych notach katalogowych, a mogłyby one pomóc projektantom dobrać przetwornik do systemu, w którym intensywnie wykorzystywany jest cały zakres dynamiki.

Oprócz używania zestawu do różnicowania przyszłych projektów na poziomie systemowym, można go wykorzystać jako narzędzie demonstrujące integralność sygnałów w przetworniku.

Aby podsumować ten punkt, na rysunku 6 przedstawiono szum przetwornika AD7960 dla wszystkich 262144 (218) kodów. Taka odpowiedź szumowa jest czymś znacznie więcej, niż proste histogramy dla pojedynczego kodu. Jest to istotne w praktyce, gdy patrzymy z perspektywy całego systemu. Dla przykładu, producenci automatycznego sprzętu pomiarowego pozwalają zbadać przetwornik w zakresie całej jego funkcji przenoszenia, a nie tylko dla pojedynczych kodów, zwiększając jego atrakcyjność dla projektantów pracujących na poziomie systemowym.

Rys. 6. Wykres odpowiedzi szumowej przetwornika AD7960 zawiera dane dla wszystkich kodów wejściowych

W przypadku modelu AD7960, na rysunku 6 nie widać żadnego przesunięcia czy nieciągłości w funkcji przenoszenia, co pokazuje duże możliwości układu. Gdybyśmy spróbowali dotrzeć głębiej, korzystając z wykresu widocznego na rysunku 6, stosunek sygnału do szumu (SNR) można obliczyć używając poniższego równania.

Zmierzony SNR wynosi 99,2 dBFS, jak przedstawiono na rysunku 5. Otrzymuje się więc różnicę w stosunku do obliczonych 100,7 dBFS wynoszącą 1,5 dB. Narzędzia Signature Analysis mają też wbudowaną możliwość dalszego przetwarzania informacji celem uzyskania bardziej szczegółowego wglądu w prawdziwe możliwości przetwornika AD7960.

Podsumowanie

Dla inżynierów systemowych, oceniających wysokiej klasy przetworniki, zaprezentowane tu wyniki będą bardzo pomocne przy dokonywaniu wyborów konkretnych modeli, prowadząc ich przez meandry zależności między wydajnością, ceną i zużyciem energii. Używając Signature Analysis Toolset można intuicyjnie spojrzeć na specyfikacje wykraczające poza tradycyjne noty katalogowe i zidentyfikować kluczowe miary wydajności, uzyskując wartościową informację zwrotną oraz poprawę jakości projektów systemów pomiarowych następnej generacji.

Maithil Pachchigar
Richard Liggiero
Farnell element14
www.farnell.com/pl