Utilizzare la predistorsione digitale per creare un generatore di segnali di precisione quasi perfetto

Creare forme d'onda standard di grande precisione, come quelle sinusoidali e arbitrarie utilizzando circuiti completamente analogici, è sempre stata una sfida perché è necessario identificare e superare numerose fonti di errore subdole e inevitabili. L'integrazione della predistorsione digitale (DPD) nel progetto e la sua combinazione con il feedback pilotato dall'uscita migliora notevolmente le prestazioni risultanti.

La precisione è una designazione del sistema e delle prestazioni citata e richiesta spesso. Nei test e nelle misurazioni, può riferirsi a precisione assoluta, ottima regolarità, elevata linearità, alta risoluzione, purezza complessiva della forma d'onda, bassa distorsione e riduzione al minimo del rumore e degli artefatti.

I progettisti possono mettere in atto una combinazione di strategie per ottenere la precisione desiderata. Fra queste rientrano:

• La scelta di componenti con una maggiore precisione e coefficienti di deriva della temperatura più bassi, anche invecchiandoli prima dell'uso per eliminare le imperfezioni e le tendenze di deriva. Spesso, ciò viene fatto con riferimenti di tensione in cui un singolo componente ad alta precisione e bassa deriva può migliorare notevolmente le prestazioni del sistema.
• L'utilizzo di topologie di circuiti che offrono l'auto-cancellazione delle sorgenti di errore, come le disposizioni raziometriche. Ciò può significare fare ricorso al classico ponte di Wheatstone o a un amplificatore differenziale con resistori accoppiati su un substrato comune, con il vantaggio di una deriva legata alla temperatura.
• L'implementazione di schemi di compensazione in cui, per annullare le modifiche, vengono utilizzati insieme componenti con derive di temperatura uguali ma opposte.
• L'adesione alle best practice per il layout fisico, inclusi ampi piani di massa, gestione dei flussi di corrente, evitare differenziali termici locali e identificare ed eliminare termocoppie involontarie dovute a discrepanze tra materiali come le tracce in rame della scheda a circuito stampato e i conduttori dei componenti stagnati.
• L'uso di una calibrazione una tantum del sistema al posto di uno standard noto, modificando i circuiti tramite componenti analogici come Trimpot o, più comunemente, fattori di correzione memorizzati digitalmente.

I progettisti di collegamenti dati ad alta velocità utilizzano spesso un approccio più sofisticato, la DPD. Anziché tentare di migliorare il canale di collegamento, cosa solitamente poco pratica o impossibile da controllare, questa tecnica caratterizza la distorsione del canale. Crea poi una forma d'onda di bit con una forma d'onda di distorsione inversa in modo che questa forma d'onda predistorta e la distorsione del canale si annullino a vicenda. Ciò consente di ridurre il tasso degli errori di bit (BER) e di supportare velocità di trasmissione dati più elevate. Nelle implementazioni più avanzate, le impostazioni della predistorsione non sono statiche, ma vengono regolate dinamicamente in tempo reale per adattarsi al variare delle condizioni del canale.

La predistorsione fornisce precisione per le forme d'onda analogiche

La DPD è utile non solo per i segnali digitali ad alta velocità, ma serve anche a migliorare le forme d'onda di un generatore di funzioni analogiche. Questa capacità è dimostrata da ADMX1002B di Analog Devices, un generatore di forme d'onda arbitrarie (AWG) a bassissima distorsione, basso rumore e controllate digitalmente. Tenere presente che la versione ADMX1001B, altrimenti identica, aggiunge un canale di acquisizione del segnale di ingresso analogico differenziale; maggiori informazioni su questa versione vengono date più avanti. Il kit di valutazione EVAL-ADMX100X-FMCZ supporta entrambi.

Figura 1: ADMX1002B (a sinistra) è un generatore di forme d'onda sinusoidali e arbitrarie ad alta precisione; ADMX1001B (a destra) è simile ma con in più un canale di acquisizione dati sotto forma di una scheda che viene inserita in un connettore su ADMX1002B. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADMX1002B fornisce i segnali sinusoidali differenziali con la purezza più alta della sua categoria sfruttando un algoritmo DPD e un metodo brevettato per il rilevamento e la correzione dell'uscita (Figura 2).

Figura 2: ADMX1002B incorpora un algoritmo DPD e rileva e corregge la propria uscita per ottenere la massima precisione; ADMX1001B aggiunge i circuiti di acquisizione dati mostrati in basso a destra del diagramma a blocchi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'unità fornisce uscite da 30 Hz a 40 kHz quando non si utilizza l'algoritmo DPD e fino a 20 kHz quando viene richiamato DPD. L'interfaccia utente grafica (GUI) basata su PC in dotazione si collega a una scheda controller per piattaforma dimostrativa del sistema (SDP) tramite una connessione USB.

"Non DPD" è la modalità predefinita quando nel registro viene caricata una nuova frequenza o ampiezza dell'onda sinusoidale; questa è la modalità operativa iniziale per la generazione di forme d'onda arbitrarie. In virtù della sua architettura, le prestazioni del modulo ADMX1002 superano quelle native dei componenti, anche in modalità non DPD.

Il software o l'hardware possono abilitare l'algoritmo DPD. Il processo non richiede ingressi di riferimento esterni e sfrutta un metodo brevettato di rilevamento temporale e di ampiezza differenziale.

Per generare una forma d'onda sinusoidale di estrema purezza, l'algoritmo richiede che gli ingressi di rilevamento siano collegati all'uscita di ADMX1001 da utilizzare nella routine del processore. Con DPD abilitato, la distorsione armonica totale (THD) a 1 kHz è un valore tipico estremamente basso, pari a -130 dB (ampiezza fino a 3,62 V rms) e ha un deterioramento di soli pochi decibel fino a 20 kHz (Figura 3).

Figura 3: Un grafico della frequenza rispetto alla THD ne mostra chiaramente il miglioramento quando viene aggiunto DPD. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

DPD migliora notevolmente anche la purezza della forma d'onda sinusoidale, come dimostrato dalla trasformata di Fourier veloce (FFT) a 1 kHz con uscita a 2 V rms prima e dopo DPD (Figura 4).

Figura 4: La chiamata di DPD migliora notevolmente la purezza dell'onda sinusoidale attenuando le armoniche pari e dispari della frequenza fondamentale, come mostrato dalle misurazioni effettuate prima (a sinistra) e dopo (a destra) DPD. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Andare oltre l'uscita a onda sinusoidale singola

ADMX1002B può generare anche onde sinusoidali bitonali da 30 Hz a 20 kHz in modalità burst o continua. Le frequenze della forma d'onda possono essere programmate con una precisione elevata di 1 μHz, mentre per le ampiezze la programmazione può arrivare a una risoluzione di 1 μV.

Inoltre, l'unità può fungere da AWG programmato dall'utente. Il segnale AWG può essere programmato per durare fino a 20 secondi ed essere conservato nella memoria volatile. La generazione continua di AWG può essere implementata eseguendo il loopback della forma d'onda memorizzata. L'uscita di ADMX1002 contiene un filtro passa-basso a 27 kHz che consente di generare forme d'onda AWG all'interno di questa banda.

Sono disponibili anche uscite c.c. ADMX1002 può generare segnali di uscita c.c. differenziali fino a 11,3 V c.c. tra le connessioni di uscita positive e negative V_p e V_n. Questo livello di uscita può essere regolato in passi precisi di 1 μV.

Accettazione di ingressi analogici

Come ricordato in precedenza, Analog Devices offre anche ADMX1001, un superset di ADMX1002 di cui ha tutte le funzioni, le caratteristiche e le prestazioni, ma con in più capacità di ingresso analogico. Questa soluzione di acquisizione dati altamente integrata offre sette impostazioni di guadagno programmabili con un intervallo di ingresso differenziale massimo di ±7,5 V e un intervallo di modo comune in ingresso massimo di ±7 V. Il filtro antialiasing integrato del 4^° ordine fornisce una reiezione fino a -130 dB, mentre la gamma dinamica totale del canale di acquisizione arriva a 128 dB con un valore THD di -115 dB (tipico), se misurato con un tono di ingresso di 1 kHz a fondo scala.

Conclusione

DPD offre vantaggi per la generazione di precisione di segnali analogici come onde sinusoidali a uno o due toni, nonché forme d'onda arbitrarie definite dall'utente. La forma d'onda risultante, misurata tramite parametri standard come THD e FFT, offre prestazioni nell'intervallo di 130 dB sulla banda audio. L'aggiunta della funzione di acquisizione dati in ADMX1001 contribuisce alla versatilità di progettazione.

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"Manuale dell'utente per i moduli di generazione di segnali a bassissima distorsione e a basso rumore e i moduli di valutazione dell'acquisizione ADMX1001 e ADMX1002"

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

"ADMX1001/ADMX1002 - Generatore di forme d'onda arbitrarie ad alta risoluzione a onda sinusoidale a bassissima distorsione + modulo di acquisizione" (video)

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

"Sorgente ad alte prestazioni per ADC e test audio con nuova predistorsione digitale"

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