Utilizzo di un'architettura ADC a doppio percorso per l'acquisizione di segnali a banda larga a basso rumore

Le applicazioni di strumentazione nel dominio del tempo, come la spettrometria di massa a tempo di volo (TOF-MS), il rilevamento distribuito a fibra ottica, la tomografia a coerenza ottica e gli oscilloscopi ad alta velocità, richiedono un'acquisizione accurata del segnale da c.c. a frequenze multi-gigahertz (GHz). Le architetture di digitalizzazione convenzionali ad alta velocità devono affrontare una limitazione fondamentale della precisione di misurazione dovuta al rumore intrinseco dei convertitori analogico/digitale (ADC), che costringe i progettisti a scendere a compromessi tra precisione e acquisizione a banda larga.

Questo articolo fornisce una breve introduzione alle sfide della digitalizzazione che i progettisti di strumentazione nel dominio del tempo devono affrontare. Viene quindi presentato un digitalizzatore ad alte prestazioni di Analog Devices e viene mostrato in che modo i progettisti possono utilizzare questa scheda e le sue risorse di sviluppo per un'implementazione di successo.

In che modo le sfide della digitalizzazione a banda larga influenzano la strumentazione del dominio del tempo

Le applicazioni di strumentazione nel dominio del tempo hanno in comune la necessità di una digitalizzazione di precisione su un'ampia larghezza di banda. Nella TOF-MS, ad esempio (Figura 1), la digitalizzazione fornisce le basi per l'identificazione del campione. Qui gli ioni di un campione vengono accelerati attraverso il vuoto mantenuto nel tubo di volo, dove raggiungono velocità diverse a seconda del loro rapporto massa/carica. Ciascun aggregato di ioni con lo stesso rapporto massa/carica arriva al rilevatore sotto forma di impulso di poche centinaia di picosecondi (ps).

Figura 1: Nella TOF-MS, gli ioni accelerati alla stessa energia cinetica viaggiano a velocità diverse in base alla massa, con gli ioni più leggeri che arrivano per primi al rilevatore, consentendo di calcolare la massa direttamente dal tempo di volo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tecnologia della TOF-MS si basa sul suo sottosistema ADC ad alte prestazioni per digitalizzare in modo affidabile l'impulso e determinarne il picco, che rappresenta il tempo di arrivo di ciascun aggregato di ioni e quindi la massa di quel tipo di ione. Poiché ogni campione è fondamentale per determinare questo picco, il sottosistema ADC deve fornire una velocità nell'ordine dei gigacampioni al secondo (Gsps) per acquisire un numero sufficiente di campioni.

Gli oscilloscopi ad alta velocità e il rilevamento distribuito a fibra ottica devono soddisfare requisiti simili per la misurazione accurata dei segnali ad alta larghezza di banda. Gli oscilloscopi ad alta velocità richiedono l'acquisizione accurata dei transitori veloci, mantenendo la fedeltà della linea di base c.c.. I sistemi di rilevamento distribuiti a fibra ottica condividono l'esigenza di un'acquisizione a banda larga con basso rumore sull'intera larghezza di banda di misurazione, da quasi c.c. a diversi gigahertz.

La sfida in queste e altre applicazioni è garantire sia un'ampia larghezza di banda che una misurazione precisa, anche a frequenze più basse, dove il rumore 1/f deteriora le prestazioni degli ADC a radiofrequenza (RF). Ottimizzata per l'acquisizione di segnali RF, questa classe di ADC offre la larghezza di banda richiesta ma presenta un elevato rumore 1/f alle basse frequenze al di sotto del suo angolo 1/f (Figura 2).

Figura 2: Il rumore 1/f intrinseco agli ADC aumenta alle frequenze inferiori all'angolo 1/f, limitando la precisione della misurazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il rumore aumenta al diminuire della frequenza, con conseguente deterioramento del rapporto segnale/rumore (SNR) e aumento dell'incertezza di misurazione alle basse frequenze, anche quando l'ADC funziona bene a frequenze dell'ordine dei gigahertz. Gli ADC di precisione riducono al minimo il rumore 1/f grazie a caratteristiche architetturali quali la stabilizzazione a chopper, l'auto-azzeramento e il doppio campionamento correlato, che privilegiano l'accuratezza a bassa frequenza rispetto alle prestazioni a banda larga, precludendone l'uso con larghezze di banda dell'ordine dei GHz.

Per risolvere questo compromesso fondamentale è necessaria la nuova architettura ADC a doppio percorso utilizzata nella scheda di valutazione ADMX6001-EBZ di Analog Devices.

In che modo l'architettura a doppio percorso di ADMX6001 raggiunge la precisione a banda larga

La scheda di valutazione ADMX6001-EBZ offre un digitalizzatore con accoppiamento a 10 Gsps accoppiato in c.c. e un progetto di riferimento completo per digitalizzatori di precisione personalizzati a basso rumore e alta larghezza di banda. Risolve il compromesso tra larghezza di banda e precisione attraverso un'architettura a doppio percorso che comprende un percorso ADC ad alta velocità ottimizzato per l'acquisizione a banda larga e un percorso ADC di precisione ottimizzato per la precisione a bassa frequenza. Combinando i dati provenienti da questi due percorsi, la scheda compensa il rumore 1/f degli ADC ad alta velocità, mantenendo una digitalizzazione accurata dei segnali da c.c. a 5 GHz.

Il percorso ad alta velocità è incentrato sull'ADC RF a 12 bit AD9213 di Analog Devices (Figura 3), in grado di campionare a 10 Gsps. Progettato per offrire un'ampia larghezza di banda istantanea e bassi tassi di errore di conversione, AD9213 si basa su un core ADC a pipeline differenziale multistadio con correzione degli errori in uscita. Per garantire la massima larghezza di banda e una latenza di uscita deterministica, il suo stadio di uscita integra un'interfaccia JESD204B a 16 canali. Oltre a fornire velocità di linea di 16 Gbit/s, lo stadio di uscita impiega meccanismi JESD204B standard per mantenere una latenza deterministica tra l'uscita di AD9213 e l'ingresso JESD204B di un controller host.

Figura 3: AD9213 integra un core ADC a pipeline differenziale multistadio con correzione degli errori in uscita e un'interfaccia JESD204B a 16 canali per il supporto di velocità di linea fino a 16 Gbit/s. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo ADC offre le alte prestazioni dinamiche necessarie per l'acquisizione accurata di segnali ad alta frequenza. A 10 Gsps con un ingresso di 1000 MHz a -1 db rispetto al fondo scala (dBFS), AD9213 presenta un SNR di 55,8 dBFS e una gamma dinamica senza spurie (SFDR) di 70 dBFS (tip.). Inoltre, questo dispositivo mantiene eccellenti valori di SNR e SFDR alle frequenze di ingresso da 100 MHz a oltre 6 GHz (Figura 4), soddisfacendo la richiesta di precisione a banda larga.

Figura 4: AD9213 mantiene alte prestazioni in termini di SNR e SFDR alle frequenze di ingresso da 100 MHz a oltre 6 GHz, fornendo la capacità di acquisizione a banda larga necessaria per la strumentazione nel dominio del tempo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il percorso di precisione utilizza AD4080 di Analog Devices, un ADC differenziale con registro ad approssimazioni successive (SAR) a 20 bit e 40 Msps con rilevamento di eventi integrato, filtro digitale e campionatore a doppio ingresso per assicurare una conversione di precisione ad alte frequenze di campionamento. Il suo stadio di uscita consente l'accesso diretto ai risultati della conversione e a una funzionalità FIFO (first-in, first-out) da 16.384 campioni attraverso un'interfaccia che supporta un'uscita sia SPI che LVDS. Come AD9213, AD4080 offre funzionalità integrate progettate per garantire l'allineamento con il controller host e tenere conto dei ritardi di propagazione del sistema. Laddove AD9213 fornisce la larghezza di banda richiesta, AD4080 fornisce la precisione a bassa frequenza necessaria. A 1 kHz, AD4080 raggiunge 93,6 dB di SNR e -110,2 dB di distorsione armonica totale (THD) (Figura 5).

Figura 5: A 1 kHz, AD4080 raggiunge 93,6 dB di SNR e -110,2 dB THD, dimostrando la precisione a bassa frequenza che completa l'acquisizione a banda larga di AD9213. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda ADMX6001-EBZ risponde all'esigenza della strumentazione nel dominio del tempo di gestire segnali di ingresso a terminazione singola, unipolari o bipolari a livelli di c.c. differenti. Oltre a un driver ADC ad alta velocità per la conversione da terminazione singola a differenziale, un convertitore digitale/analogico (DAC) di precisione esegue la polarizzazione del driver ADC per fornire un offset c.c. regolabile, massimizzando la gamma dinamica di AD9213 ad alta velocità. Questa capacità è essenziale in applicazioni quali la TOF-MS, dove un'adeguata compensazione dell'offset c.c. garantisce la disponibilità dell'intera gamma dinamica dell'ADC per i segnali ionici pulsati.

Accelerare la valutazione e lo sviluppo grazie a una scheda e a un software di accompagnamento

Analog Devices ha progettato la scheda di valutazione ADMX6001-EBZ per l'utilizzo con il kit di valutazione VCU118 (EK-U1-VCU118-G) di AMD/Xilinx (Figura 6). Basato su un gate array programmabile sul campo (FPGA) ad alte prestazioni, il kit fornisce le risorse e la capacità di elaborazione necessarie per acquisire e combinare i flussi di dati a doppio percorso. Per le normali operazioni di digitalizzazione, la scheda ADMX6001-EBZ si collega a VCU118 tramite un connettore HSPC della scheda mezzanine FPGA (FMC+), utilizzando una piccola ventola da banco per un funzionamento prolungato.

Figura 6: La scheda di valutazione ADMX6001-EBZ si collega al kit VCU118 tramite un connettore HSPC FMC+ ad alto throughput, fornendo una piattaforma hardware completa per la valutazione delle prestazioni della digitalizzazione a doppio percorso. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I core di proprietà intellettuale (IP) e i blocchi di memoria istanziati nella matrice FPGA di VCU118 implementano le interfacce JESD204B e LVDS ad alta velocità separate necessarie per ricevere i flussi di dati doppi dai dispositivi AD9213 ad alta velocità e AD4080 di precisione. Entrambi i flussi di dati vengono inseriti nei buffer di memoria dell'FPGA prima di essere trasferiti alla memoria di sistema per la successiva fusione e l'elaborazione specifica dell'applicazione.

Per valutare la digitalizzazione del segnale e la scheda ADMX6001-EBZ, Analog Devices mette a disposizione lo strumento di interfaccia grafica utente (GUI) IIO Oscilloscope e la libreria Python PyADI-IIO. Lo strumento IIO Oscilloscope è una GUI multipiattaforma per la modifica interattiva delle impostazioni della scheda, l'acquisizione dei dati e la rappresentazione dei risultati. Ad esempio, per abilitare la modalità accoppiata in c.c. di AD9213, i progettisti devono utilizzare la finestra degli strumenti di IIO Oscilloscope (Figura 7) per specificare il dispositivo (AD9213 in questo caso), il registro di interesse (0x1617 in questo caso) e il relativo valore (0x1).

Figura 7: La GUI IIO Oscilloscope consente l'accesso diretto al registro per configurare le modalità operative dell'ADC; in questo caso è possibile attivare la modalità di accoppiamento in c.c. di AD9213 scrivendo 0x1 nel registro 0x1617. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La libreria PyADI-IIO fornisce un'interfaccia di programmazione di applicazioni (API) per le funzionalità della scheda, costruita attorno a una classe Python (Hammerhead) che inizializza la scheda con le impostazioni predefinite e fornisce metodi che astraggono le operazioni di basso livello per l'impostazione dell'offset, l'acquisizione dei dati da ciascun ADC e la rappresentazione dei risultati.

Il codice di esempio, come lo script ADMX6001_acquisition.py della libreria PyADI-IIO, dimostra i modelli di progettazione di base per l'utilizzo di questi metodi per sequenze di valutazione più complesse. Ad esempio, per digitalizzare un segnale di ingresso a diversi offset c.c., i progettisti importano la classe Hammerhead dal modulo ADMX6001_MultiClass_pCal della libreria e ne creano un'istanza. Ai progettisti bastano poche righe di codice, utilizzando i metodi di questa istanza, per valutare la capacità della scheda ADMX6001-EBZ di acquisire campioni a offset c.c. differenti (Listato 1).

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import adi
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import time as dt
import ADMX6001_MultiClass_pCal as HMC
from scipy.fft import fft, rfftfreq
 
# Initialize ADMX6001 board
HH = HMC.Hammerhead("ip:192.168.2.1")
…
dac_offset1 = 0
HH.set_dac_offset(dac_offset1)
hispeed_data1 = HH.capture_data_ad9213(2**16) # Capture specified # of samples @ 10GSPS
HH.plot_data_ad9213(hispeed_data1) # Plot data captured by high speed path
…
dac_offset2 = 200  # Set offset voltage in mV
HH.set_dac_offset(dac_offset2) # Set offset voltage in mV
hispeed_data2 = HH.capture_data_ad9213(2**16) # Capture specified # of samples @ 10GSPS
HH.plot_data_ad9213(hispeed_data2) # Plot data captured by high speed path
…
dac_offset3 = -200  # Set offset voltage in mV
HH.set_dac_offset(dac_offset3) # Set offset voltage in mV
hispeed_data3 = HH.capture_data_ad9213(2**16) # Capture specified # of samples @ 10GSPS
HH.plot_data_ad9213(hispeed_data3) # Plot data captured by high speed path
 
# plot three AD9213 acquisitions with different dc bias/offset
x_time = np.arange(0, len(hispeed_data1))*(10**(-4))
fig, (ax) = plt.subplots(1, 1)
ax.plot(x_time, hispeed_data1, label=str(dac_offset1) + 'mV offset')
ax.plot(x_time, hispeed_data2, label=str(dac_offset2) + 'mV offset')
ax.plot(x_time, hispeed_data3, label=str(dac_offset3) + 'mV offset')

Listato 1: Come illustrato da questo frammento di codice della libreria PyADI-IIO, ai progettisti bastano poche righe di codice per valutare la capacità della scheda ADMX6001-EBZ di acquisire campioni a offset c.c. differenti. (Codice per gentile concessione di Analog Devices)

Il grafico dei dati acquisiti dallo stesso segnale di ingresso a tre impostazioni di offset c.c. (0 mV, 200 mV, -200 mV) dimostra la capacità della scheda ADMX6001-EBZ di regolare la polarizzazione di ingresso per ottimizzare l'utilizzo della gamma dinamica dell'ADC ad alta velocità (Figura 8).

Figura 8: Il grafico dei dati acquisiti dallo stesso segnale di ingresso a tre impostazioni di offset c.c. (0 mV, 200 mV, -200 mV) dimostra la capacità della scheda ADMX6001-EBZ di regolare la polarizzazione di ingresso per ottimizzare l'utilizzo della gamma dinamica dell'ADC ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Insieme, questi due strumenti accelerano la valutazione e lo sviluppo. Mentre la GUI IIO Oscilloscope offre un modo rapido e interattivo per verificare le diverse impostazioni del registro e le opzioni di acquisizione, la libreria PyADI-IIO consente di implementare sequenze di operazioni più complesse.

Conclusione

Le applicazioni di strumentazione che richiedono una digitalizzazione accurata da c.c. fino a frequenze di molti gigahertz costringono i progettisti a scendere a compromessi tra l'acquisizione a banda larga e la precisione a bassa frequenza. La scheda di valutazione del digitalizzatore a 10 Gsps accoppiato in c.c. ADMX6001-EBZ di Analog Devices risolve questo compromesso grazie a un'architettura a doppio percorso. Abbinata a un kit di sviluppo FPGA e a strumenti software, questa scheda fornisce una piattaforma di valutazione e un progetto di riferimento completo che accelerano lo sviluppo di digitalizzatori di precisione a banda larga per applicazioni esigenti nel dominio del tempo.

Riferimenti:

1. Video dimostrativo di ADMX6001-EBC
2. Progetto HDL ADMX6001-EBZ (progetto di riferimento)