使用數字預失真創建近乎完美的精密信號發生器
發布時間：2025-2-24 10:26
發布者：eechina
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來源：Digikey 作者：Bill Schweber 使用全模擬電路生成諸如正弦波等高精度標準波形以及任意波形一直是一項挑戰，因為必須識別并消除許多細微且不可避免的錯誤源。將數字預失真 (DPD) 納入設計，并將其與輸出驅動型反饋相結合可顯著提升可實現的性能。 精度是經常被引用和提出要求的系統指標和性能指標。在測試與計量中，精度可以指絕對精度、卓越的一致性、高線性度、高分辨率、整體波形純度、低失真以及噪聲和偽影的最小化。 設計師可能會采用多種策略來實現所需的精度。這些策略包括： · 選擇具有更高精度和更低溫度漂移系數的器件，甚至在使用前對其進行老化處理，以消除缺陷和漂移趨勢。這通常是通過電壓基準來實現的，其中單個高精度、低漂移部件可以極大地提高系統性能。 · 使用可自我消除誤差源的電路拓撲，例如比率式布局。這可能意味著使用經典的惠斯通電橋或帶有匹配電阻的差分放大器，這些器件位于公共基板上，其優勢是具有已匹配的與溫度相關的漂移。 · 實施補償方案，采用具有相同但相反溫度漂移的器件來抵消變化。 · 遵守物理布局的最佳實踐，包括大型接地平面、電流管理、避免局部熱差，以及識別和消除由于材料不匹配而導致的意外熱電偶，例如銅印刷電路板 (PC 板) 軌道和鍍錫元件引線。 · 按照已知標準進行一次性系統校準，然后使用如微調電位器等模擬元件或更常見的數字存儲校正因子來調整電路。 DPD 是一種更復雜的方法。高速數據鏈路設計人員通常會使用這種方法。該技術不是試圖改進通常是不切實際的或無法控制的鏈接通道，而是表征通道失真。然后，創建一個具有反向失真波形的位波形，以使該預失真波形和通道失真相互抵消。這會降低誤碼率 (BER) 并支持更高的數據速率。在最先進的實施過程中，預失真設置不是靜態的，而是以動態方式進行實時調整以適應通道條件的變化。 預失真為模擬波形提供精度 DPD 不僅適用于高速數字信號，還可用于改善模擬函數發生器的波形。這種功能可由 Analog Devices 的 ADMX1002B（圖 1）超低失真、低噪聲、數控任意波形發生器 (AWG) 實現。請注意，其他方面與之相同的 ADMX1001B 器件增加了差分模擬輸入信號采集通道；稍后將詳細介紹此器件。EVAL-ADMX100X-FMCZ 評估套件支持這兩款器件。 
圖 1：ADMX1002B（左）是一款高精度正弦波和任意波形發生器；ADMX1001B（右）與之類似，但增加了一個數據采集通道，該通道以電路板的形式插入 ADMX1002B 上的連接器中。（圖片來源：Analog Devices） ADMX1002B 利用 DPD 算法，通過專利方法檢測和校正其輸出，提供同類產品中純度最高的差分正弦信號（圖 2）。
圖 2：ADMX1002B 集成了 DPD 算法，可檢測和校正自身輸出以實現最高精度；ADMX1001B 添加了如框圖底部和右下角所示的數據采集電路。（圖片來源：Analog Devices） 不使用 DPD 算法時，該裝置提供 30 Hz 至 40 kHz 的輸出；調用 DPD 時，輸出高達 20 kHz。所提供的基于 PC 的圖形化用戶界面 (GUI) 通過 USB 連接線連接至系統演示平臺 (SDP) 控制器板。 當新的正弦波頻率或幅值加載到寄存器中時，非 DPD 處于默認模式；這是任意波形生成的初始工作模式。由于其架構，即使在非 DPD 模式下，ADMX1002 模塊的性能也超過了該器件的原生性能。 軟件或硬件可以啟用 DPD 算法。該過程不需要外部基準輸入，并采用了獲得專利的差分時間和幅值檢測方法。 該算法要求將檢測輸入連接 ADMX1001 的輸出，以便在處理器例程中使用，生成超高純度的正弦波形。啟用 DPD 后，1 kHz 時總諧波失真 (THD) 的典型值極低，為 -130 dB（分貝）（幅值高達 3.62 V rms），且直到 20 kHz 時僅降低幾個 dB（圖 3）。
圖 3：頻率與 THD 的關系圖清楚地顯示了添加 DPD 后 THD 值的改善。（圖片來源：Analog Devices） DPD 還大大提高了正弦波形的純度，如 DPD 之前和之后 1 kHz 的快速傅里葉變換 (FFT) 所示，其輸出均為 2 V rms（圖 4）。
圖 4：通過衰減基頻的奇次諧波和偶次諧波，調用 DPD 可大大提高正弦波純度，如在 DPD 之前（左）和之后（右）的測量結果所示。（圖片來源：Analog Devices） 超越單一正弦波輸出 ADMX1002B 還可以在猝發或連續模式下生成 30 Hz 至 20 kHz 雙音正弦波。波形頻率可以按 1 微赫茲 (µHz) 分辨率的高精度進行編程，幅值可以按 1 微伏 (µV) 分辨率進行編程。/p> 此外，該裝置還可以用作用戶可編程 AWG。AWG 信號的可編程時長為最長 20 秒并存儲在易失性存儲器中。通過回送存儲的波形可以實現連續生成 AWG。ADMX1002 的輸出包含一個 27 kHz 低通濾波器，因此可在此頻帶內生成 AWG 波形。 此外，還提供直流輸出。ADMX1002 可以在正負輸出連接 Vp 和 Vn 之間產生高達 11.3 伏直流 (VDC) 的差分直流輸出信號。該輸出電平可以按 1 µV 的精確步長進行調整。 接受模擬輸入 如前所述，ADI 公司還提供 ADMX1001。該器件可以說是 ADMX1002 的超集，不僅具有后者的所有功能、特性和性能，還增加了模擬輸入功能。這種高度集成的數據采集解決方案提供了七種可編程增益設置，最大差分輸入范圍為±7.5 V，最大輸入共模范圍為 ±7 V。集成的 4 階抗混疊濾波器提供高達 −130 dB 的抑制，而當在全量程內以 1 kHz 輸入音進行測量時，采集通道的總動態范圍高達 128 dB，THD 為 −115 dB（典型值）。 結語 在精確生成如單音和雙音正弦波等模擬信號以及用戶定義的任意波形方面，DPD 具有優勢。通過如 THD 和 FFT 等標準參數測量的結果波形顯示了音頻段 130 dB 范圍內的性能。ADMX1001 增加了數據采集功能，可增強設計的多功能性。 |
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