使用数字预失真创建近乎完美的精密信号发生器

来源：Digikey
作者：Bill Schweber

使用全模拟电路生成诸如正弦波等高精度标准波形以及任意波形一直是一项挑战，因为必须识别并消除许多细微且不可避免的错误源。将数字预失真 (DPD) 纳入设计，并将其与输出驱动型反馈相结合可显著提升可实现的性能。

精度是经常被引用和提出要求的系统指标和性能指标。在测试与计量中，精度可以指绝对精度、卓越的一致性、高线性度、高分辨率、整体波形纯度、低失真以及噪声和伪影的最小化。

设计师可能会采用多种策略来实现所需的精度。这些策略包括：

· 选择具有更高精度和更低温度漂移系数的器件，甚至在使用前对其进行老化处理，以消除缺陷和漂移趋势。这通常是通过电压基准来实现的，其中单个高精度、低漂移部件可以极大地提高系统性能。
· 使用可自我消除误差源的电路拓扑，例如比率式布局。这可能意味着使用经典的惠斯通电桥或带有匹配电阻的差分放大器，这些器件位于公共基板上，其优势是具有已匹配的与温度相关的漂移。
· 实施补偿方案，采用具有相同但相反温度漂移的器件来抵消变化。
· 遵守物理布局的最佳实践，包括大型接地平面、电流管理、避免局部热差，以及识别和消除由于材料不匹配而导致的意外热电偶，例如铜印刷电路板 (PC 板) 轨道和镀锡元件引线。
· 按照已知标准进行一次性系统校准，然后使用如微调电位器等模拟元件或更常见的数字存储校正因子来调整电路。

DPD 是一种更复杂的方法。高速数据链路设计人员通常会使用这种方法。该技术不是试图改进通常是不切实际的或无法控制的链接通道，而是表征通道失真。然后，创建一个具有反向失真波形的位波形，以使该预失真波形和通道失真相互抵消。这会降低误码率 (BER) 并支持更高的数据速率。在最先进的实施过程中，预失真设置不是静态的，而是以动态方式进行实时调整以适应通道条件的变化。

预失真为模拟波形提供精度

DPD 不仅适用于高速数字信号，还可用于改善模拟函数发生器的波形。这种功能可由 Analog Devices 的 ADMX1002B（图 1）超低失真、低噪声、数控任意波形发生器 (AWG) 实现。请注意，其他方面与之相同的 ADMX1001B 器件增加了差分模拟输入信号采集通道；稍后将详细介绍此器件。EVAL-ADMX100X-FMCZ 评估套件支持这两款器件。


图 1：ADMX1002B（左）是一款高精度正弦波和任意波形发生器；ADMX1001B（右）与之类似，但增加了一个数据采集通道，该通道以电路板的形式插入 ADMX1002B 上的连接器中。（图片来源：Analog Devices）

ADMX1002B 利用 DPD 算法，通过专利方法检测和校正其输出，提供同类产品中纯度最高的差分正弦信号（图 2）。


图 2：ADMX1002B 集成了 DPD 算法，可检测和校正自身输出以实现最高精度；ADMX1001B 添加了如框图底部和右下角所示的数据采集电路。（图片来源：Analog Devices）

不使用 DPD 算法时，该装置提供 30 Hz 至 40 kHz 的输出；调用 DPD 时，输出高达 20 kHz。所提供的基于 PC 的图形化用户界面 (GUI) 通过 USB 连接线连接至系统演示平台 (SDP) 控制器板。

当新的正弦波频率或幅值加载到寄存器中时，非 DPD 处于默认模式；这是任意波形生成的初始工作模式。由于其架构，即使在非 DPD 模式下，ADMX1002 模块的性能也超过了该器件的原生性能。

软件或硬件可以启用 DPD 算法。该过程不需要外部基准输入，并采用了获得专利的差分时间和幅值检测方法。

该算法要求将检测输入连接 ADMX1001 的输出，以便在处理器例程中使用，生成超高纯度的正弦波形。启用 DPD 后，1 kHz 时总谐波失真 (THD) 的典型值极低，为 -130 dB（分贝）（幅值高达 3.62 V rms），且直到 20 kHz 时仅降低几个 dB（图 3）。


图 3：频率与 THD 的关系图清楚地显示了添加 DPD 后 THD 值的改善。（图片来源：Analog Devices）

DPD 还大大提高了正弦波形的纯度，如 DPD 之前和之后 1 kHz 的快速傅里叶变换 (FFT) 所示，其输出均为 2 V rms（图 4）。


图 4：通过衰减基频的奇次谐波和偶次谐波，调用 DPD 可大大提高正弦波纯度，如在 DPD 之前（左）和之后（右）的测量结果所示。（图片来源：Analog Devices）

超越单一正弦波输出

ADMX1002B 还可以在猝发或连续模式下生成 30 Hz 至 20 kHz 双音正弦波。波形频率可以按 1 微赫兹 (µHz) 分辨率的高精度进行编程，幅值可以按 1 微伏 (µV) 分辨率进行编程。/p>

此外，该装置还可以用作用户可编程 AWG。AWG 信号的可编程时长为最长 20 秒并存储在易失性存储器中。通过回送存储的波形可以实现连续生成 AWG。ADMX1002 的输出包含一个 27 kHz 低通滤波器，因此可在此频带内生成 AWG 波形。

此外，还提供直流输出。ADMX1002 可以在正负输出连接 Vp 和 Vn 之间产生高达 11.3 伏直流 (VDC) 的差分直流输出信号。该输出电平可以按 1 µV 的精确步长进行调整。

接受模拟输入

如前所述，ADI 公司还提供 ADMX1001。该器件可以说是 ADMX1002 的超集，不仅具有后者的所有功能、特性和性能，还增加了模拟输入功能。这种高度集成的数据采集解决方案提供了七种可编程增益设置，最大差分输入范围为±7.5 V，最大输入共模范围为 ±7 V。集成的 4 阶抗混叠滤波器提供高达 −130 dB 的抑制，而当在全量程内以 1 kHz 输入音进行测量时，采集通道的总动态范围高达 128 dB，THD 为 −115 dB（典型值）。

结语

在精确生成如单音和双音正弦波等模拟信号以及用户定义的任意波形方面，DPD 具有优势。通过如 THD 和 FFT 等标准参数测量的结果波形显示了音频段 130 dB 范围内的性能。ADMX1001 增加了数据采集功能，可增强设计的多功能性。