Kartenwahl

Dipl.-Ing. (FH) Oliver Rovini, Leiter Entwicklung, Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbH, Großhansdorf

Kriterien für die Auswahl einer A/D-Karte sind zunächst die benötigte Abtastrate, die Auflösung und die Anzahl der Kanäle. Sind diese bestimmt, sollte man sich um die Qualität der A/D-Karte Gedanken machen. Die Herstellerangaben sind selten direkt miteinander vergleichbar, daher ist es wichtig die zugrunde liegenden Messungen zu verstehen. Die wesentlichsten Kriterien zur Qualitätsbestimmung einer Messkarte sind die dynamischen Parameter, das Eigenrauschen, das Übersprechen zwischen den Kanälen sowie der Aufbau des Analogteils.

Als dynamische Parameter werden einige Kenngrößen zusammengefasst, die nach Aufzeichnung eines möglichst reinen Sinus aus dem Frequenzspektrum eines aufgenommenen Signals berechnet werden. Die im digitalisierten Signal enthaltenen Störungen geben so einen Rückschluss auf die Qualität der Messkarte.

Wichtigstes Kriterium für die Auswahl der Signalquelle ist die Forderung, dass das Testsignal von der Qualität deutlich über der Aufzeichnungskarte liegen muss. So ist z.B. für die Spezifikation der M2i.3027 (2 Kanal 12 Bit 100 MS/s) von Spectrum eine Signalquelle nötig, deren Verzerrung deutlich besser als die von der A/D-Karte erreichten –66 dB sein müssen. Gängige schnelle Signalgeneratoren sind aber meistens nur mit Verzerrung im Bereich bis –40 dB spezifiziert. Die Lösung ist eine Kombination aus hoch qualitativem Signalgenerator mit vielpoligem Filter (Bild 1).

Die folgende Übersicht definiert die dynamischen Parameter, die aus dem Frequenzspektrum eines reinen Sinus ermittelt werden können.

SNR: Der Signal-Rausch-Abstand, englisch „Signal to Noise Ratio“, gibt das Verhältnis zwischen Grundfrequenz und den Rauschanteilen an. Dabei werden der DC-Anteil sowie die harmonischen Schwingungen nicht mit berücksichtigt. Je größer der SNR-Wert ist, desto niedriger liegt der Rauschteppich, so dass auch noch kleine Signalanteile gut erkennbar sind.

THD: Die „Total Harmonic Distortion“, im Audiobereich auch als Klirrfaktor bekannt, fasst alle harmonischen Schwingungen in einem Wert zusammen. THD gibt das Verhältnis sämtlicher harmonischen Schwingungen zur Grundschwingung an. Je niedriger der THD-Wert ist, desto kleiner sind die Verzerrungen, die durch die Verstärkerstufen und andere Bauteile der A/D-Karte erzeugt werden.

SINAD: Fasst die Rauschanteile sowie die harmonischen Verzerrungen in einem Wert zusammen.

SFDR: Der „Spurious Free Dynamic Range“ gibt den störungsfreien Abstand zwischen der Grundschwingung und der größten Störung des Frequenzspektrums an. Dabei ist es je nach Hersteller durchaus üblich die harmonischen Schwingungen aus der SFDR auszuklammern. Vor einem Vergleich der Werte von verschiedenen Herstellern ist hier unbedingt die Berechnungsgrundlage zu erfragen.

ENOB: Die „Effective Number Of Bits“ gibt einen rechnerischen Auflösungswert in Bit an, der zeigt, wie dicht die A/D-Karte bei einem eingespeisten Sinus am theoretischen Idealbild eines A/D-Wandlers ist. Der ENOB-Wert wird je nach Hersteller entweder über das SNR oder über das SINAD berechnet. Bei den meisten A/D-Karten ist SNR Berechnungsgrundlage, da der sich ergebende Wert höher ist als bei SINAD.

Alle hier vorgestellten Spezifikationen werden immer für eine bestimmte Abtastrate, Signalfrequenz und einen Eingangsbereich gemessen. Bei pauschalen Aussagen, die leider teilweise üblich sind (Karte hat 65 dB SNR), sollten die Messbedingungen also kritisch hinterfragt werden.

Bild 2 zeigt einen Ausschnitt des Spektrums der M2i.4642 (8 Kanal 16 Bit Auflösung 1 MS/s) bei 10 kHz Eingangssignal. Sehr gut erkennbar sind die, unter 110 dB liegenden harmonischen Verzerrungen. Dieses A/D-Karten-Model erreicht einen SNR größer 90 dB, eine THD kleiner –100 dB, einen SFDR größer 111 dB, eine ENOBSINAD von 14,6 Bit und eine ENOBSNR von 14,7 Bit. Die Werte verdeutlichen, dass die M2i.4642 eine Spitzenstellung im Vergleich mit anderen Messkarten einnimmt.

Das Eigenrauschen einer Karte wird als Standardabweichung bei gegen Masse terminierten Eingängen gemessen. Einzelne Rauschpeaks können deutlich höher als der RMS-Mittelwert sein.

Das Eigenrauschen ist eine wichtige Kenngröße bei Signalen mit großer Varianz im Pegel, bei denen auch kleine Signale im großen Eingangsbereich aufgenommen werden müssen. Hat die Karte z.B. schon ein RMS-Eigenrauschen von 20 mV, so können Signale mit einem Pegel unter 50 mV nicht mehr zuverlässig aufgezeichnet werden, obwohl z.B. die theoretische Auflösung (±50 mV/65536 = 1.5 mV) dies durchaus zulassen würde.

Unsere Beispiel-Messkarte erreicht hier sehr gute Werte. Für die 16 Bit Karte M2i.4642 beträgt das RMS-Rauschen bis hinunter zum ±500 mV Eingangsbereich weniger als 1,1 LSB. Auch der mit ±50 mV kleinste Eingangsbereich ist mit maximal 17 µV Eigenrauschen noch sehr gut.

Viele Anwendungen erfordern heute die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Kanäle. Um Kosten einzusparen greift man daher gerne zu hochintegrierten Mehrkanal-Messkarten. Hier kann sich jedoch das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen, englisch Crosstalk, sehr störend auswirken. Der Aufbau der Messkarte spielt dabei die entscheidende Rolle:

Sehr günstige Modelle verfügen lediglich über einen ADC und einen Verstärkerteil, auf den abwechselnd die Signale aller Kanäle geschaltet werden. Dies führt zwangsläufig zu einem hohen Übersprechen, da alle Signale sehr nah zusammen geführt werden und die Verstärker eine gewisse Einschwingzeit benötigen.

Diese Produkte haben dadurch eine maximale Abtastrate, die abhängig von der Anzahl eingeschalteter Kanäle ist. Diese Karten werden mit der Summenabtastrate beworben und erreichen mit mehr als einem eingeschalteten Kanal nur einen Bruchteil dieser Angabe. Hinzu kommt, dass alle Kanäle nacheinander aufgezeichnet werden und nicht gleichzeitig.

Um das Übersprechen zu minimieren, die volle Abtastrate für alle Kanäle gleichzeitig zu erreichen sowie eine absolut synchrone Aufzeichnung zu gewährleisten, kann man ADC und Verstärkerstufe für jeden Kanal einzeln ausführen und auf eine möglichst strikte Trennung der Kanäle achten. Der Aufwand ist offensichtlich höher, führt aber auch zum gewünschten Ergebnis; das Übersprechen wird erfolgreich reduziert, alle Kanäle können gleichzeitig mit voller Abtastrate betrieben werden und die Abtastung erfolgt auf allen Kanälen völlig synchron.

Signalübersprechen kann jedoch bereits vor der Messkarte über die Anschlussleitungen entstehen. Hochwertige A/D-Karten sollten hier koaxiale Steckverbinder besitzen um eine größtmögliche Abschirmung des Signals auch gegen Störungen zu gewährleisten. Optimalen Schutz gegen Übersprechen und Störungen bieten differenzielle Eingänge. Da das Signal jedoch häufig nicht differenziell vorliegt, sollten die Eingänge auf single-ended umschaltbar sein.

Viele A/D-Karten werden jedoch mit Steckern für Flachband- oder Rundkabel ausgerüstet. Hier liegen die Messsignale sehr dicht beieinander und das Übersprechen wird dadurch eher gefördert. Hochwertigere Ausführungen schirmen die einzelnen Leitungen separat im Rundkabel, benötigen aber dann wieder eine Verteilerbox zum einzelnen Anschluss der Signale.

Die A/D-Karten von Spectrum verwenden für die Signalanschlüsse durchgehend Koaxialleitungen sowie völlig separate Signalwege und A/D-Wandler für jeden Kanal (Bild 3). Hierdurch erreicht die 8 Kanal-Karte M2i.4642 ein Übersprechen kleiner 110 dB. Nebenstehendes Bild zeigt die separat geführten Signalwege vom MMCX-Signalanschluss, über die Verstärkerstufen, bis zum A/D-Wandler.

Der Anwender erhöht die Auflösung der meisten Messgeräte routinemäßig, indem er den richtigen Messbereich wählt. Während große Signalpegel durch relativ einfache Schaltungen (z.B. kompensierter Teiler) auf kleinere Eingangsbereiche abgebildet werden können, ist der umgekehrte Weg nur mit komplexen aktiven Verstärkerschaltungen zu begehen. Daher sind besonders die Eingangsbereiche mit kleiner Eingangsspannung essenziell, da eine rauscharme Verstärkung des Signals schwieriger ist als die rauscharme Abschwächung großer Amplituden (Bild 4). Unsere Referenzkarte ist hier gut mit 8 Eingangsbereichen zwischen ±10 V und ±50 mV ausgestattet.

Für jede Anwendung mit ihren speziellen Anforderungen lässt sich heute eine passende A/D-Karte finden, die den gesuchten Anforderungen entspricht. Wenn es um die Qualität geht, gilt es die verschiedenen Angaben der Hersteller miteinander zu vergleichen. Bei hochwertigen A/D-Karten ist die Qualität unter anderem über die Kennwerte SNR, THD, SFDR und ENOB angegeben. Nicht berücksichtigt in diesem Artikel sind Werte wie INL und DNL, da diese nur vom eingesetzten A/D-Wandler abhängen.

Für alle Angaben gilt außerdem, dass der Messaufbau sowie die Berechnungsgrundlage (ENOB z.B. basierend auf SNR oder SINAD) berücksichtigt werden muss. Leider ist es teilweise üblich, nur die Werte des reinen A/D-Wandlers bzw. eines speziellen Bypass-Modes anzugeben. Hierbei bleiben dann alle Fehler des Eingangsverstärkers der Karte sowie des Kartenaufbaus unberücksichtigt.

Die Referenzkarte der Spectrum GmbH zeigt welche Leistung eine A/D-Karte erreichen kann, wenn sie optimal ausgelegt ist.

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