Mit digitaler Vorverzerrung zu einem nahezu perfekten Präzisionssignalgenerator

Es war schon immer eine Herausforderung, hochpräzise Standardwellenformen wie Sinus- und Arbiträrwellenformen mit rein analogen Schaltungen zu erzeugen, da zahlreiche subtile und unvermeidliche Fehlerquellen identifiziert und überwunden werden müssen. Die Einbeziehung der digitalen Vorverzerrung (DPD) in das Design und die Kombination mit ausgangsgesteuerter Rückkopplung verbessert die erreichbare Performance erheblich.

Präzision ist eine häufig zitierte und geforderte System- und Leistungsbezeichnung. In der Prüf- und Messtechnik kann sie sich auf absolute Genauigkeit, hervorragende Konsistenz, hohe Linearität, hohe Auflösung, allgemeine Reinheit der Signalform, geringe Verzerrung und Minimierung von Rauschen und Artefakten beziehen.

Um die gewünschte Präzision zu erreichen, können die Entwickler eine Mischung aus verschiedenen Strategien anwenden. Zu diesen Strategien gehören:

• Auswahl von Bauteilen mit höherer Genauigkeit und geringeren Temperaturdriftkoeffizienten und sogar Alterung vor dem Einsatz, um Unvollkommenheiten und Drifttendenzen zu beseitigen. Dies geschieht häufig bei Spannungsreferenzen, bei denen ein einziges hochpräzises Bauteil mit geringer Drift die Systemleistung erheblich verbessern kann.
• Verwendung von Schaltungstopologien, die eine Selbstunterdrückung von Fehlerquellen bieten, wie z. B. ratiometrische Anordnungen. Dies kann bedeuten, dass die klassische Wheatstone-Brücke oder ein Differenzverstärker mit gepaarten Widerständen auf einem gemeinsamen Substrat verwendet wird, was den Vorteil hat, dass die temperaturbedingte Drift angepasst wird.
• Implementierung von Kompensationsschemata, bei denen Komponenten mit gleichen, aber entgegengesetzten Temperaturdifferenzen zusammen verwendet werden, um die Änderungen auszugleichen.
• Einhaltung bewährter Verfahren für das physische Layout, einschließlich großer Masseflächen, Management von Stromflüssen, Vermeidung lokaler Wärmeunterschiede und Identifizierung und Beseitigung unbeabsichtigter Thermoelemente aufgrund von Materialfehlern wie Kupferleiterbahnen auf Leiterplatten und verzinnten Bauteilanschlüssen.
• Durch eine einmalige Kalibrierung des Systems anhand eines bekannten Standards und anschließende Anpassung des Schaltkreises mit Hilfe von analogen Komponenten wie Trimpotis oder, was häufiger der Fall ist, digital gespeicherten Korrekturfaktoren.

DPD, ein anspruchsvolleres Konzept, wird häufig von Entwicklern von Highspeed-Datenverbindungen verwendet. Anstatt zu versuchen, den Verbindungskanal zu verbessern, was in der Regel unpraktisch oder unmöglich zu kontrollieren ist, charakterisiert diese Technik die Kanalverzerrung. Anschließend wird eine Bit-Wellenform mit einer inversen Verzerrungswellenform erzeugt, so dass sich diese vorverzerrte Wellenform und die Kanalverzerrung gegenseitig aufheben. Dies reduziert die Bitfehlerrate (BER) und ermöglicht höhere Datenraten. Bei den fortschrittlichsten Implementierungen sind die Vorverzerrungseinstellungen nicht statisch, sondern werden in Echtzeit dynamisch angepasst, um sich den veränderten Kanalbedingungen anzupassen.

Vorverzerrung bietet Präzision für analoge Wellenformen

DPD ist nicht nur für digitale Hochgeschwindigkeitssignale nützlich. Es kann auch dazu verwendet werden, die Wellenformen eines analogen Funktionsgenerators zu verbessern. Diese Fähigkeit wird durch den ADMX1002B (Abbildung 1) von Analog Devices demonstriert, einem digital gesteuerten Arbiträrsignalgenerator (AWG) mit extrem geringer Verzerrung und geringem Rauschen. Beachten Sie, dass die ansonsten identische Version ADMX1001B über einen zusätzlichen analogen Differenz-Eingangskanal verfügt; mehr zu dieser Version später. Das Evaluierungskit EVAL-ADMX100X-FMCZ unterstützt beides.

Abbildung 1: Der ADMX1002B (links) ist ein hochpräziser Sinus- und Arbiträrsignalgenerator; der ADMX1001B (rechts) ist ähnlich, bietet aber zusätzlich einen Datenerfassungskanal in Form einer Karte, die in einen Steckverbinder am ADMX1002B eingesetzt wird. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADMX1002B liefert die reinsten differentiellen Sinussignale seiner Klasse, indem er einen DPD-Algorithmus nutzt, der eine patentierte Methode zur Erfassung und Korrektur seines Ausgangs verwendet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der ADMX1002B enthält einen DPD-Algorithmus und erfasst und korrigiert seinen eigenen Ausgang für höchste Präzision; der ADMX1001B fügt die unten und unten rechts im Blockdiagramm gezeigte Datenerfassungsschaltung hinzu. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Gerät liefert Ausgänge von 30 Hertz (Hz) bis 40 Kilohertz (kHz), wenn der DPD-Algorithmus nicht verwendet wird, und bis zu 20 kHz, wenn DPD aktiviert ist. Die mitgelieferte PC-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) wird über eine USB-Verbindung mit einer SDP-Steuerkarte (SDP: System Demonstration Platform) verbunden.

Non-DPD ist der Standardmodus, wenn eine neue Sinuswellenfrequenz oder -amplitude in das Register geladen wird; dies ist der anfängliche Betriebsmodus für die Erzeugung von Arbiträrwellenformen. Aufgrund seiner Architektur übersteigt die Performance des ADMX1002-Moduls die native Leistung der Komponenten, selbst im Non-DPD-Modus.

Software oder Hardware können den DPD-Algorithmus aktivieren. Das Verfahren erfordert keine externen Referenzeingänge und nutzt eine patentierte Methode zur differenziellen Zeit- und Amplitudenmessung.

Der Algorithmus erfordert, dass die Sense-Eingänge mit dem Ausgang des ADMX1001 verbunden werden, der in der Prozessorroutine zur Erzeugung einer hochreinen Sinuswellenform verwendet wird. Bei aktiviertem DPD liegt die Gesamtverzerrung (THD) bei 1 kHz bei einem extrem niedrigen typischen Wert von -130 Dezibel (dB) (Amplitude bis zu 3,62 Volt effektiv) und verschlechtert sich bis 20 kHz nur um wenige Dezibel (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Diagramm von Frequenz und Klirrfaktor zeigt deutlich die Verbesserung des Klirrfaktors durch den Einsatz von DPD. (Bildquelle: Analog Devices)

DPD verbessert auch die Reinheit der Sinuswellenform erheblich, wie die schnelle Fourier-Transformation (FFT) bei 1 kHz mit 2 Volt Effektivwert vor und nach DPD zeigt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Einsatz von DPD verbessert die Reinheit der Sinuswelle durch Dämpfung der geraden und ungeraden Oberwellen der Grundfrequenz erheblich, wie Messungen vor (links) und nach (rechts) DPD zeigen. (Bildquelle: Analog Devices)

Ausgabe mehrerer Sinuskurven

Der ADMX1002B kann auch Zweiton-Sinuswellen von 30 Hz bis 20 kHz im Burst- oder Dauermodus erzeugen. Die Frequenzen der Wellenformen können mit einer hohen Präzision von 1 Mikrohertz (µHz) und die Amplituden mit einer Auflösung von 1 Mikrovolt (µV) programmiert werden.

Außerdem kann das Gerät als benutzerprogrammiertes AWG fungieren. Das AWG-Signal kann auf eine Dauer von bis zu 20 Sekunden (s) programmiert und im flüchtigen Speicher abgelegt werden. Die kontinuierliche AWG-Erzeugung kann durch Verarbeitung der gespeicherten Wellenform in einer Schleife realisiert werden. Der Ausgang des ADMX1002 enthält einen 27-kHz-Tiefpassfilter, mit dem AWG-Wellenformen innerhalb dieses Bandes erzeugt werden können.

DC-Ausgänge sind ebenfalls vorhanden. Der ADMX1002 kann differenzielle DC-Ausgangssignale bis zu 11,3 Volt DC (VDC) zwischen den positiven und negativen Ausgangsanschlüssen V_p und V_n erzeugen. Der Ausgangspegel kann in präzisen Schritten von 1 µV eingestellt werden.

Akzeptieren von Analogeingängen

Wie bereits erwähnt, bietet Analog Devices auch den ADMX1001 an, ein Superset des ADMX1002, der alle Funktionen, Merkmale und Leistungen des letzteren besitzt, aber zusätzlich analoge Eingangsmöglichkeiten bietet. Diese hochintegrierte Datenerfassungslösung bietet sieben programmierbare Verstärkungseinstellungen mit einem maximalen differentiellen Eingangsbereich von ±7,5 Volt und einem maximalen Eingangs-Gleichtaktbereich von ±7 Volt. Der integrierte Anti-Aliasing-Filter 4. Ordnung bietet eine Unterdrückung von bis zu -130 dB, während der Gesamtdynamikbereich des Erfassungskanals bis zu 128 dB mit einem THD-Wert von -115 dB (typisch) beträgt, wenn mit einem 1 kHz-Eingangston bei voller Skala gemessen wird.

Fazit

DPD bietet Vorteile bei der präzisen Erzeugung von analogen Signalen wie Ein- und Zweiton-Sinuswellen sowie von benutzerdefinierten Arbiträrsignalen. Die resultierende Wellenform, gemessen mit Standardparametern wie THD und FFT, zeigt eine Performance im Bereich von 130 dB über das Audioband. Die zusätzliche Datenerfassungsfunktion des ADMX1001 erhöht die Designvielfalt.

Verwandte Inhalte

„Benutzerhandbuch für ADMX1001 und ADMX1002, extrem verzerrungsarme, rauscharme Signalgenerator- und Erfassungsmodule“

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

„ADMX1001/ADMX1002 - Sinuswellen- und hochauflösender Arbiträr-Wellenformgenerator + Erfassungsmodul mit sehr geringer Verzerrung“ (Video)

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

„Leistungsstarke Quelle für ADC- und Audiotests mit neuartiger digitaler Vorverzerrung“

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