Ottenere una caratterizzazione analogica di precisione di classe strumentale con una piattaforma completa di generazione e misurazione

L'emergere di convertitori di maggiore precisione e di sistemi analogici a bassissimo rumore fa crescere l'esigenza di soluzioni di test in grado di caratterizzare più accuratamente le prestazioni. Sebbene possibile, l'approccio che vede le aziende costruire internamente le piattaforme per raggiungere questo obiettivo comporta costi e ritardi. Da parte loro, le configurazioni tradizionali che comprendono generatori e analizzatori separati possono introdurre distorsioni e variabilità che erodono l'accuratezza e non soddisfano i requisiti di caratterizzazione di questi dispositivi e sistemi.

Questo articolo fornisce una breve rassegna delle sfide che i progettisti devono affrontare nello sviluppo di ambienti audio avanzati, a segnale misto e di test automatico. Viene quindi presentata una piattaforma integrata di generazione e misurazione di precisione di Analog Devices, pronta all'uso, che consente di generare stimoli a bassissima distorsione e di effettuare misurazioni ad alta risoluzione senza gli svantaggi di una strumentazione complessa.

Le crescenti esigenze in termini di capacità di generazione e misurazione di stimoli

In tutti gli ambienti dell'audio di precisione, a segnale misto e di test automatico, i tecnici hanno sempre più bisogno di prestazioni di classe strumentale in formati integrati compatti. I test di convertitori analogico/digitali (ADC) ad alta risoluzione, la convalida della fedeltà della banda audio per cuffie, microfoni e apparecchi acustici e il supporto di flussi di lavoro di apparecchiature di test automatico (ATE) ad alto throughput fanno crescere le esigenze in termini di generatori di stimoli e capacità di misurazione.

I test ad alte prestazioni dipendono da stimoli sinusoidali eccezionalmente puri e da un basso rumore in banda larga, che consentano di tenere i contributi in termini di distorsione e rumore provenienti dalla sorgente ben al di sotto di quelli del dispositivo sotto test (DUT). L'analisi dinamica e la valutazione della trasformata di Fourier veloce (FFT) richiedono funzioni di campionamento o windowing coerenti per ridurre la dispersione spettrale e mantenere la fedeltà di misurazione quando non è possibile ottenere altrimenti la coerenza.

La domanda di dispositivi audio a più alta fedeltà determina la necessità di toni puliti e ripetibili e pattern multitono sull'intera banda audio per rivelare i contributi in termini di distorsione, intermodulazione e rumore. Queste esigenze si estendono agli ambienti di test automatico, dove i flussi di lavoro di produzione ad alto throughput si basano su comportamento deterministico degli stimoli, profili di forme d'onda predefiniti e condizioni di calibrazione stabili.

Anche lo sviluppo a segnale misto beneficia di sorgenti di stimoli in grado di generare forme d'onda in corrente continua (c.c.), sinusoidali, a doppio tono e arbitrarie per supportare la valutazione in un'ampia gamma di condizioni operative.

La piattaforma ADMX1001B di Analog Devices offre la combinazione di caratteristiche necessarie per affrontare queste sfide.

Come la piattaforma ADMX1001B consente una caratterizzazione di precisione

Con dimensioni di appena 40 × 60 mm, ADMX1001B di Analog Devices è un System-on-Module (SoM) progettato per offrire la fedeltà, la ripetibilità e la controllabilità necessarie per la valutazione di precisione della banda audio utilizzando forme d'onda a tono singolo, a doppio tono, in corrente continua e arbitrarie. Alla base dell'architettura di ADMX1001B, un System-on-Chip (SoC) gestisce la sintesi delle forme d'onda, la temporizzazione e la memoria, integrando al tempo stesso funzioni di controllo pattern, di gestione interna e di monitoraggio. Gestite da questo SoC, catene di segnali dedicate forniscono le capacità di generazione e misurazione di forme d'onda di precisione del SoM (Figura 1).

Figura 1: Il SoM ADMX1001B integra catene di segnali di acquisizione e generazione di forme d'onda dedicate sotto il controllo di un SoC integrato per supportare la valutazione di precisione della banda audio. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Una caratterizzazione affidabile richiede una sorgente di stimoli che presenti una distorsione armonica significativamente inferiore a quella del DUT, mantenendo al contempo la linearità nell'intervallo di ampiezza e frequenza richiesto senza introdurre artefatti durante il filtraggio o la ricostruzione. ADMX1001B raggiunge il livello di prestazioni richiesto per i dispositivi in banda audio di prossima generazione grazie alla capacità di generare toni con una distorsione armonica totale (THD) tipica di -130 dB.

Per ottenere queste prestazioni, ADMX1001B applica diverse tecniche. La catena di segnali completamente differenziale del SoM instrada l'uscita dal convertitore digitale/analogico (DAC) a 20 bit attraverso stadi di condizionamento del segnale che filtrano l'energia di glitch associata alle transizioni di codice del DAC e attenuano le repliche spettrali fuori banda, o componenti dell'immagine, del segnale analogico desiderato che appaiono a multipli della frequenza di campionamento.

ADMX1001B migliora ulteriormente la purezza di uscita dei toni singoli fino a 20 kHz utilizzando un algoritmo di predistorsione digitale (DPD) brevettato che deve essere eseguito una sola volta per migliorare la linearità per una specifica combinazione di frequenza-ampiezza. Utilizzando il segnale di uscita restituito attraverso il percorso di rilevamento DPD (VSENSEP e VSENSEN nella Figura 1), l'algoritmo della DPD ricostruisce digitalmente il segnale di uscita e lo confronta con un modello per generare parametri di correzione che migliorano significativamente la purezza dell'onda sinusoidale (Figura 2).

Figura 2: Rispetto all'uscita a tono singolo senza DPD (a sinistra), l'applicazione della DPD (a destra) riduce significativamente le componenti armoniche e migliora la purezza spettrale complessiva. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADMX1001B conserva questi parametri generati come profili di forme d'onda in una memoria non volatile che contiene fino a 15 profili per forme d'onda a tono singolo, a tono singolo con DPD, a tono doppio e in c.c., oltre a un profilo per forma d'onda arbitraria fornita dall'utente (soggetta ai vincoli di larghezza di banda del filtro di uscita a 27 kHz del SoM). Ricaricando questi profili tramite controllo hardware o software, gli utenti possono passare rapidamente da un tipo di forma d'onda all'altro durante il test del dispositivo senza compromettere la purezza del segnale.

Dal punto di vista della misurazione, ADMX1001B incorpora un front-end analogico (AFE) con sette intervalli di misurazione programmabili. L'impostazione dell'intervallo di misurazione appropriato impedisce il clipping e preserva l'intera gamma dinamica del canale di ingresso del SoM per i segnali di ingresso entro i limiti di ±7,5 V differenziali e ±7 V di modo comune. Questo percorso del segnale comprende anche un filtro antialiasing del 4° ordine che condiziona il segnale prima della conversione da parte dell'ADC a 24 bit e 256 kS/s (vedere di nuovo la Figura 1). Poiché questo filtro definisce la larghezza di banda di acquisizione utilizzabile, i contenuti a frequenza superiore vengono attenuati prima di raggiungere l'ADC. Mentre il filtro antialiasing fornisce una reiezione fino a -130 dB, il canale di acquisizione raggiunge una gamma dinamica totale fino a 128 dB con THD tipica di -115 dB (tono di ingresso a 1 kHz a fondo scala).

Grazie all'insieme di queste capacità di generazione e acquisizione di segnali, ADMX1001B è un modulo compatto di classe strumentale per la fornitura di stimoli di alta purezza e misurazioni sincronizzate. Per aiutare gli sviluppatori a sfruttare appieno questa funzionalità, Analog Devices offre una coppia di schede che consente la valutazione immediata delle capacità di ADMX1001B e ne supportano lo scopo come banco di prova di precisione pronto all'uso.

Valutazione rapida grazie a un ambiente di banco di prova completo

Analog Devices offre una piattaforma di valutazione completa che combina il dispositivo ADMX1001B con la scheda di valutazione EVAL-ADMX100X-FMCZ (Figura 3) e la scheda controller SDP-H1(EVAL-SDP-CH1Z). Utilizzate insieme, queste schede formano un ambiente completo che collega il SoM ADMX1001B a un PC host, fornisce l'alimentazione e la temporizzazione ed espone i percorsi di generazione e acquisizione di segnali del modulo per la configurazione e la misurazione.

Figura 3: La scheda di valutazione EVAL-ADMX100X-FMCZ fornisce l'alimentazione, l'instradamento dei segnali e la connettività esterna necessari per accedere ai percorsi di generazione e acquisizione di segnali del modulo ADMX1001B. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questa configurazione, la scheda EVAL-ADMX100X-FMCZ funge da interfaccia primaria per il SoM ADMX1001B, che si collega alla scheda tramite un connettore mezzanine per la distribuzione dell'alimentazione e le connessioni dei segnali. Le porte di uscita (OUTP/OUTN) forniscono l'accesso alla sorgente a bassissima distorsione, mentre le porte di ingresso differenziale corrispondenti (AINP/AINN) supportano le configurazioni di acquisizione di segnali esterni o di loopback utilizzate durante la calibrazione DPD. I connettori aggiuntivi realizzano il percorso di rilevamento DPD, i segnali di trigger e sincronizzazione hardware e i controlli di selezione della modalità per i flussi di lavoro di generazione, acquisizione e calibrazione.

La scheda di valutazione EVAL-ADMX100X-FMCZ si collega tramite un connettore FMC alla scheda controller ad alta velocità SDP-H1 (Figura 4), che fornisce le interfacce USB e parallele ad alta velocità necessarie per far funzionare ADMX1001B da un PC host. Costruita attorno a gate array programmabile sul campo (FPGA) dedicato e a un processore di segnali digitali, la scheda controller alimenta la scheda di valutazione e gestisce la comunicazione USB, i trasferimenti di configurazione, il caricamento dei profili e l'acquisizione ad alta velocità.

Figura 4: Con il collegamento della scheda di valutazione alla scheda controller SDP-H1 si realizza un sistema completo per la configurazione di ADMX1001B, la generazione di forme d'onda e la misurazione dei segnali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Analog Devices fornisce lo strumento software ADMX100X con interfaccia grafica utente (GUI) per gestire la generazione di forme d'onda, l'addestramento del DPD e le impostazioni di acquisizione (Figura 5).

Figura 5: Uno strumento software con GUI aiuta a gestire la generazione di forme d'onda, il controllo dell'acquisizione e la calibrazione DPD. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Utilizzando lo strumento software, gli sviluppatori possono selezionare i tipi di forme d'onda, regolare i parametri di tono, caricare pattern arbitrari e passare da un profilo all'altro. Durante l'addestramento della DPD, lo strumento coordina la generazione di stimoli, l'acquisizione del percorso di rilevamento e il calcolo dei parametri di correzione e consente agli utenti di salvare il profilo nella memoria non volatile. Lo strumento presenta anche gli intervalli di misurazione del canale di acquisizione e i controlli di campionamento per l'acquisizione nel dominio del tempo, la visualizzazione della FFT e l'esportazione dei campioni dall'ADC. Fornendo un accesso immediato alle impostazioni hardware, la GUI semplifica l'impostazione e il pieno utilizzo delle funzionalità di ADMX1001B per la generazione e la misurazione di stimoli di precisione.

Conclusione

Con l'emergere di convertitori in banda audio e sistemi a segnale misto sempre più avanzati, le configurazioni tipiche dei banchi di prova spesso introducono distorsioni e variabilità che limitano l'accuratezza e la ripetibilità delle misurazioni delle prestazioni. La piattaforma integrata di generazione e di misurazione di forme d'onda di Analog Devices offre la bassissima distorsione e il basso rumore necessari per caratterizzare con sicurezza i dispositivi ad alta risoluzione. Grazie a queste funzionalità, gli sviluppatori possono valutare più efficacemente i convertitori e i sottosistemi in banda audio di prossima generazione destinati ad applicazioni ad alta fedeltà.