作者： [Bill Schweber]

使用全模擬電路生成諸如正弦波等高精度標(biāo)準(zhǔn)波形以及任意波形一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氉R(shí)別并消除許多細(xì)微且不可避免的錯(cuò)誤源。將數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 納入設(shè)計(jì)，并將其與輸出驅(qū)動(dòng)型反饋相結(jié)合可顯著提升可實(shí)現(xiàn)的性能。

精度是經(jīng)常被引用和提出要求的系統(tǒng)指標(biāo)和性能指標(biāo)。在測(cè)試與計(jì)量中，精度可以指絕對(duì)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(shè)計(jì)師可能會(huì)采用多種策略來實(shí)現(xiàn)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(shù)的器件，甚至在使用前對(duì)其進(jìn)行老化處理，以消除缺陷和漂移趨勢(shì)。這通常是通過電壓基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，其中單個(gè)高精度、低漂移部件可以極大地提高系統(tǒng)性能。
• 使用可自我消除誤差源的電路拓?fù)洌绫嚷适讲季?。這可能意味著使用經(jīng)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(yōu)勢(shì)是具有已匹配的與溫度相關(guān)的漂移。
• 實(shí)施補(bǔ)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(shí)踐，包括大型接地平面、電流管理、避免局部熱差，以及識(shí)別和消除由于材料不匹配而導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次性系統(tǒng)校準(zhǔn)，然后使用如微調(diào)電位器等模擬元件或更常見的數(shù)字存儲(chǔ)校正因子來調(diào)整電路。

DPD 是一種更復(fù)雜的方法。高速數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用這種方法。該技術(shù)不是試圖改進(jìn)通常是不切實(shí)際的或無(wú)法控制的鏈接通道，而是表征通道失真。然后，創(chuàng)建一個(gè)具有反向失真波形的位波形，以使該預(yù)失真波形和通道失真相互抵消。這會(huì)降低誤碼率 (BER) 并支持更高的數(shù)據(jù)速率。在最先進(jìn)的實(shí)施過程中，預(yù)失真設(shè)置不是靜態(tài)的，而是以動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)通道條件的變化。

預(yù)失真為模擬波形提供精度

DPD 不僅適用于高速數(shù)字信號(hào)，還可用于改善模擬函數(shù)發(fā)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(shù)控任意波形發(fā)生器 (AWG) 實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)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(hào)采集通道；稍后將詳細(xì)介紹此器件。[EVAL-ADMX100X-FMCZ] 評(píng)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(fā)生器；ADMX1001B（右）與之類似，但增加了一個(gè)數(shù)據(jù)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(cè)和校正其輸出，提供同類產(chǎn)品中純度最高的差分正弦信號(hào)（圖 2）。

圖 2：ADMX1002B 集成了 DPD 算法，可檢測(cè)和校正自身輸出以實(shí)現(xiàn)最高精度；ADMX1001B 添加了如框圖底部和右下角所示的數(shù)據(jù)采集電路。（圖片來源：Analog Devices）

不使用 DPD 算法時(shí)，該裝置提供 30 Hz 至 40 kHz 的輸出；調(diào)用 DPD 時(shí)，輸出高達(dá) 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(tǒng)演示平臺(tái) (SDP) 控制器板。

當(dāng)新的正弦波頻率或幅值加載到寄存器中時(shí)，非 DPD 處于默認(rèn)模式；這是任意波形生成的初始工作模式。由于其架構(gòu)，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(zhǔn)輸入，并采用了獲得專利的差分時(shí)間和幅值檢測(cè)方法。

該算法要求將檢測(cè)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(shí)總諧波失真 (THD) 的典型值極低，為 -130 dB（分貝）（幅值高達(dá) 3.62 V rms），且直到 20 kHz 時(shí)僅降低幾個(gè) dB（圖 3）。

圖 3：頻率與 THD 的關(guān)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(diào)用 DPD 可大大提高正弦波純度，如在 DPD 之前（左）和之后（右）的測(cè)量結(jié)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(fā)或連續(xù)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(jìn)行編程，幅值可以按 1 微伏 (μV) 分辨率進(jìn)行編程。/p>

此外，該裝置還可以用作用戶可編程 AWG。AWG 信號(hào)的可編程時(shí)長(zhǎng)為最長(zhǎng) 20 秒并存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中。通過回送存儲(chǔ)的波形可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生成 AWG。ADMX1002 的輸出包含一個(gè) 27 kHz 低通濾波器，因此可在此頻帶內(nèi)生成 AWG 波形。

此外，還提供直流輸出。ADMX1002 可以在正負(fù)輸出連接 Vp 和 Vn 之間產(chǎn)生高達(dá) 11.3 伏直流 (VDC) 的差分直流輸出信號(hào)。該輸出電平可以按 1 μV 的精確步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)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(shù)據(jù)采集解決方案提供了七種可編程增益設(shè)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(dá) ?130 dB 的抑制，而當(dāng)在全量程內(nèi)以 1 kHz 輸入音進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采集通道的總動(dòng)態(tài)范圍高達(dá) 128 dB，THD 為 ?115 dB（典型值）。

結(jié)語(yǔ)

在精確生成如單音和雙音正弦波等模擬信號(hào)以及用戶定義的任意波形方面，DPD 具有優(yōu)勢(shì)。通過如 THD 和 FFT 等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量的結(jié)果波形顯示了音頻段 130 dB 范圍內(nèi)的性能。ADMX1001 增加了數(shù)據(jù)采集功能，可增強(qiáng)設(shè)計(jì)的多功能性。

審核編輯 黃宇