Utiliser la prédistorsion numérique pour créer un générateur de signaux de précision quasi parfait

La création de formes d'ondes standard haute précision, comme les formes d'ondes sinusoïdales et arbitraires, à l'aide de circuits entièrement analogiques a toujours été un défi, car il faut identifier et surmonter de nombreuses sources d'erreur subtiles et inévitables. L'intégration de la prédistorsion numérique (DPD) dans la conception et sa combinaison avec une rétroaction de sortie améliorent considérablement les performances atteignables.

La précision est une désignation des systèmes et des performances fréquemment citée et requise. En matière de test et de mesure, elle peut faire référence à une exactitude absolue, une cohérence supérieure, une linéarité élevée, une résolution élevée, une pureté globale de la forme d'onde, une faible distorsion, et une réduction du bruit et des artefacts.

Les concepteurs peuvent utiliser un ensemble de stratégies pour atteindre le niveau de précision requis. Ces stratégies incluent les suivantes :

• Choisir des composants avec une plus grande précision et des coefficients de dérive de température plus faibles, voire en les vieillissant avant utilisation pour éliminer les imperfections et les tendances à la dérive. Cela se fait souvent avec les références de tension où un seul composant haute précision et à faible dérive peut grandement améliorer les performances du système.
• Utiliser des topologies de circuit dans lesquelles les sources d'erreur s'annulent toutes seules, comme les dispositions ratiométriques. Cela peut impliquer l'utilisation du pont de Wheatstone classique ou d'un amplificateur différentiel avec des résistances associées sur un substrat commun, avec l'avantage d'une dérive liée à la température adaptée.
• Implémenter des schémas de compensation où des composants ayant des dérives de température égales mais opposées sont utilisés ensemble pour annuler les changements.
• Respecter les bonnes pratiques en matière de disposition physique, notamment les grands plans de masse, la gestion des flux de courant, la prévention des différentiels thermiques locaux, ainsi que l'identification et l'élimination des thermocouples involontaires dus à des incompatibilités entre les matériaux, comme les pistes de circuits imprimés en cuivre et les sorties étamées des composants.
• Utiliser un étalonnage unique du système par rapport à une norme connue, puis ajuster les circuits à l'aide de composants analogiques comme des potentiomètres ajustables ou, plus généralement, des facteurs de correction stockés numériquement.

La prédistorsion numérique, une approche plus sophistiquée, est souvent utilisée par les concepteurs de liaisons de données haute vitesse. Plutôt que d'essayer d'améliorer le canal de liaison, ce qui est généralement peu pratique ou impossible à contrôler, cette technique caractérise la distorsion du canal. Elle crée ensuite une forme d'onde binaire avec une forme d'onde de distorsion inverse, de sorte que cette forme d'onde prédéformée et la distorsion du canal s'annulent mutuellement. Cela réduit le taux d'erreur sur les bits et permet des débits de données plus élevés. Dans les implémentations les plus avancées, les paramètres de prédistorsion ne sont pas statiques, mais sont ajustés de manière dynamique en temps réel pour s'adapter à l'évolution des conditions du canal.

La prédistorsion garantit la précision des formes d'ondes analogiques

La prédistorsion numérique n'est pas seulement utile pour les signaux numériques haute vitesse. Elle peut également être utilisée pour améliorer les formes d'ondes d'un générateur de fonctions analogiques. Cette capacité est illustrée par le générateur de formes d'ondes arbitraires (AWG) à commande numérique, distorsion ultrafaible et faible bruit ADMX1002B d'Analog Devices (Figure 1). Notez que la version ADMX1001B est identique, mais ajoute un canal d'acquisition de signaux d'entrée analogique différentiels. Nous reviendrons sur cette version plus tard. Le kit d'évaluation EVAL-ADMX100X-FMCZ prend en charge les deux versions.

Figure 1 : L'ADMX1002B (à gauche) est un générateur de formes d'ondes sinusoïdales et arbitraires haute précision. L'ADMX1001B (à droite) est similaire, mais ajoute un canal d'acquisition de données sous forme de carte qui s'insère dans un connecteur sur l'ADMX1002B. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADMX1002B fournit les signaux sinusoïdaux différentiels les plus purs de sa catégorie en exploitant un algorithme DPD, utilisant une méthode brevetée pour détecter et corriger sa sortie (Figure 2).

Figure 2 : L'ADMX1002B intègre un algorithme DPD, et détecte et corrige sa propre sortie pour une précision maximale. L'ADMX1001B ajoute les circuits d'acquisition de données illustrés en bas et en bas à droite du schéma fonctionnel. (Source de l'image : Analog Devices)

L'unité fournit des sorties de 30 Hz à 40 kHz lorsqu'elle n'utilise pas l'algorithme DPD, et jusqu'à 20 kHz avec l'algorithme DPD. L'interface utilisateur graphique (GUI) fournie, basée sur PC, se connecte à une carte de contrôleur de plateforme de démonstration système (SDP) via une connexion USB.

Le mode par défaut est le mode non-DPD lorsqu'une nouvelle fréquence ou amplitude d'onde sinusoïdale est chargée dans le registre ; il s'agit du mode de fonctionnement initial pour la génération de formes d'ondes arbitraires. En raison de son architecture, les performances du module ADMX1002 dépassent les performances natives des composants, même en mode non-DPD.

L'algorithme DPD peut être activé au moyen d'éléments logiciels ou matériels. Le processus ne nécessite aucune entrée de référence externe et exploite une méthode brevetée de détection différentielle temporelle et d'amplitude.

L'algorithme nécessite que les entrées de détection soient connectées à la sortie de l'ADMX1001 pour être utilisé dans la routine du processeur afin de générer une forme d'onde sinusoïdale de très haute pureté. Lorsque la prédistorsion numérique est activée, la distorsion harmonique totale (THD) à 1 kHz présente une valeur typique extrêmement faible de -130 dB (amplitude jusqu'à 3,62 Vrms) et ne se dégrade que de quelques décibels jusqu'à 20 kHz (Figure 3).

Figure 3 : Un graphique de la fréquence par rapport à la distorsion harmonique totale (THD) montre clairement l'amélioration de la distorsion harmonique totale avec la prédistorsion numérique ajoutée. (Source de l'image : Analog Devices)

Par ailleurs, la prédistorsion numérique améliore considérablement la pureté de la forme d'onde sinusoïdale, comme le montre la transformation de Fourier rapide (FFT) à 1 kHz avec une sortie de 2 Vrms avant et après la prédistorsion numérique (Figure 4).

Figure 4 : L'utilisation de la prédistorsion numérique améliore considérablement la pureté de l'onde sinusoïdale en atténuant les harmoniques paires et impaires de la fréquence fondamentale, comme le montrent les mesures effectuées avant (à gauche) et après (à droite) la prédistorsion numérique. (Source de l'image : Analog Devices)

Au-delà de la sortie d'onde sinusoïdale unique

Le générateur de formes d'ondes ADMX1002B peut également générer des ondes sinusoïdales à deux tonalités de 30 Hz à 20 kHz en mode rafale ou continu. Les fréquences des formes d'ondes peuvent être programmées avec une haute précision de résolution de 1 µHz, et les amplitudes peuvent être programmées avec une résolution de 1 µV.

De plus, l'unité peut fonctionner comme un générateur de formes d'ondes arbitraires programmé par l'utilisateur. Le signal AWG peut être programmé pour durer jusqu'à 20 secondes et être stocké dans une mémoire volatile. La génération AWG continue peut être implémentée en bouclant la forme d'onde stockée. La sortie de l'ADMX1002 contient un filtre passe-bas de 27 kHz, ce qui permet de générer des formes d'ondes AWG dans cette bande.

Des sorties CC sont également disponibles. L'ADMX1002 peut générer des signaux de sortie CC différentiels jusqu'à 11,3 VCC entre les connexions de sortie positive et négative V_p et V_n. Ce niveau de sortie peut être ajusté par incréments précis de 1 µV.

Accepter les entrées analogiques

Comme indiqué précédemment, Analog Devices propose également l'ADMX1001, une version avancée de l'ADMX1002 qui offre toutes les caractéristiques, fonctionnalités et performances de ce dernier, mais ajoute des capacités d'entrée analogique. Cette solution d'acquisition de données hautement intégrée offre sept réglages de gain programmables avec une plage d'entrée différentielle maximum de ±7,5 V et une plage de mode commun d'entrée maximum de ±7 V. Le filtre antirepliement de 4^e ordre intégral fournit une réjection jusqu'à −130 dB, tandis que la plage dynamique totale du canal d'acquisition atteint 128 dB avec une valeur THD de −115 dB (typique) en cas de mesure avec une tonalité d'entrée de 1 kHz à pleine échelle.

Conclusion

La prédistorsion numérique offre des avantages pour la génération précise de signaux analogiques tels que des ondes sinusoïdales à une ou deux tonalités, ainsi que des formes d'ondes arbitraires définies par l'utilisateur. La forme d'onde qui en résulte, mesurée par des paramètres standard comme la distorsion harmonique totale et la transformation de Fourier rapide, affiche des performances dans la plage de 130 dB sur la bande audio. L'ajout de la fonction d'acquisition de données à l'ADMX1001 contribue à la polyvalence de conception.

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Guide d'utilisation des modules d'évaluation d'acquisition et de générateur de signaux à faible bruit et distorsion ultrafaible ADMX1001 et ADMX1002

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/admx/admx100x

ADMX1001/ADMX1002 - Générateur de formes d'ondes arbitraires haute résolution et d'ondes sinusoïdales à distorsion ultrafaible + module d'acquisition (vidéo)

https://www.analog.com/en/resources/media-center/videos/6355673963112.html

Source hautes performances pour test audio et CAN avec prédistorsion numérique innovante

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/high-performance-source-for-adc.html