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Charakterisierung von Analog-Digital-Umsetzern

Die Nutzer von Analog-Digital-Umsetzern (ADU) sind sich oft nicht darüber im Klaren, wie entscheidend die Genauigkeit der Digitalisierung von der Beschaltung der ADU-Bausteine abhängt, insbesondere bei hoher Signalbandbreite und -dynamik.

Verbesserung einer 16-bit-Datenerfassungskarte durch Schaltungsoptimierung. Dargestellt ist die in der PTB gemessene integrale Nichtlinearität einer 16-bit-ADU-Datenerfassungskarte. Die rote Kurve zeigt das Verhalten des ersten Musters der Baugruppe. Mit Hilfe dieser Messergebnisse konnten die Fehlerquellen ermittelt und die Datenerfassungskarte optimiert werden. Die grüne Kurve zeigt das Optimierungsergebnis mit sehr guter Linearität. Eine integrale Nichtlinearität von 0 LSB (least significant bit) im gesamten Codebereich ist der theoretische Grenzwert für einen idealen ADU.

Ein in der PTB entwickelter Messplatz ermöglicht jetzt sowohl für Analog-Digital-Umsetzer als auch für vollständige ADU-Baugruppen eine messtechnisch hochwertige Charakterisierung.

Moderne Mess- und Datenerfassungssysteme stellen zunehmend anspruchsvollere Anforderungen an die Auflösung und Linearität von ADU-Baugruppen bei hoher Bandbreite. Deshalb kommen immer höher auflösende ADU-Bausteine auf den Markt. Der Ersatz eines 12-bit-Umsetzers durch einen 16-bit- oder gar 24-bit-ADU wird allerdings in der Praxis meist nicht zu entsprechend verbesserter Genauigkeit führen: Unterschätzt wird oft die mit größerer Auflösung zunehmende Bedeutung der Beschaltung des eigentlichen ADU-Bausteins. Je höher die geforderte Genauigkeit ist, desto wichtiger werden z. B. die stabile und saubere Masse- und Spannungsversorgung, die korrekte Leitungsführung der kritischen Signale, das exakte Timing, Beschaltungen zur Störungsunterdrückung und eine Abschirmung oder Teilschirmung wichtiger Komponenten.

Auch das notwendige Austesten der ADU-Baugruppen wird immer aufwändiger. Besonders schwierig ist bei hohen Abtastraten die dynamische Prüfung von Baugruppen mit zeitlich veränderlichen Testsignalen. Angepasst werden muss auch der zur Prüfung erforderliche Messadapter als Bindeglied zwischen ADU-Baugruppe und Messplatz.

Oft können die Schaltungsentwickler diese wichtigen Messungen nicht selbst durchführen, weil ihnen eine geeignete messtechnische Ausstattung nicht zur Verfügung steht. An einem in der PTB entwickelten Messplatz kann jetzt die metrologisch hochwertige Untersuchung und Prüfung sowohl von ADU-Bausteinen als auch von vollständigen Baugruppen erfolgen. Solche Untersuchungen von ADU-Baugruppen eines Messdatenerfassungssystems wurden unter anderem bereits für die KFZ-Industrie durchgeführt. In den meisten Fällen tragen die Messergebnisse markant zur Verbesserung der ADU-Baugruppen bei.

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