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作者: Srudeep Patil,Carmelo Morello 數據采集系統(DAS)將模擬信號轉換為數字格式，然后經(jīng)過(guò)數字信號處理器的分析，從而析取有用的信息。成像、音頻以及振動(dòng)分析等有些應用要求DAS具有高信噪比(SNR)和超低總諧波失真(THD)。 開(kāi)發(fā)寬動(dòng)態(tài)范圍DAS帶來(lái)眾多設計和測試挑戰。主要的測試挑戰是缺乏具有較好THD和SNR的信號源。當DAS的額定值為100dB SNR和-120dB THD時(shí)，信號發(fā)生器的THD和SNR就成為關(guān)鍵因素。 本文介紹數字預失真如何改善數字信號發(fā)生器的失真性能，從而支持測量THD為-120dB的超低失真DAS。 為什么要改進(jìn)信號源失真？ 為了對DAS的THD進(jìn)行特征分析，應將無(wú)失真的理想正弦波連接到系統輸入。此時(shí)，在DAS的輸出測量DAS非線(xiàn)性引起的THD。 為保證在輸出測得的THD是由DAS非線(xiàn)性造成的，所用信號發(fā)生器的失真與被測DAS相比應能夠忽略不計。然而，大多數信號發(fā)生器的性能往往不足以測量THD優(yōu)于-120dB的超低失真DAS。所以，為了評估以及保證DAS測量質(zhì)量，我們需要改進(jìn)信號發(fā)生器的失真性能。 DAS及測量配置 DAS的主要信號通路設計采用低失真和低噪聲器件。實(shí)驗采用MAX11905DIFEVKIT寬動(dòng)態(tài)和超低失真DAS。MAX11905DIFEVKIT DAS有三個(gè)主要器件： ●MAX44205：全差分放大器，180MHz增益帶寬積，3nVRMS噪聲 ●MAX11905：全差分SAR ADC，20位，1.6MSPS，低功耗 ●MAX6126：超高精度、超低噪聲串聯(lián)型電壓基準 表1所示為所用信號鏈器件的噪聲和失真性能。 表1：DAS信號鏈中所用器件的性能 
測試DAS動(dòng)態(tài)性能的測試配置如圖1所示。低失真信號發(fā)生器為Audio Precision (AP) 2722。
圖1：測量DAS動(dòng)態(tài)性能的測試配置。 Audio Precision 2722用于產(chǎn)生全差分10kHz正弦波信號，施加到增益為1V/V 的MAX44205驅動(dòng)器。MAX11905 ADC工作在全差分模式，VREF= 3V，由MAX6126電壓基準提供。信號分析儀和ADC同步至相同的時(shí)鐘發(fā)生器，以實(shí)現相干采樣測量。 利用傳統方法測量DAS性能 圖2所示為利用圖1中測試配置測得的DAS動(dòng)態(tài)性能結果。ADC的采樣率為1.6MSPS。
圖2：在MAX11905DIFFEVKIT上、采樣率為1.6MSPS時(shí)測得的DAS系統的原始FFT和動(dòng)態(tài)性能。 97.3dB SNR相對較好，但輸出處的諧波高于DAS的期望值。如我們后文所說(shuō)，受信號發(fā)生器的失真所限，THD測量值為-112dB。 利用數字預失真(DPD)改善失真 應用數字修正技術(shù)，以改善數字信號發(fā)生器的失真或THD。向數字信號中增加諧波以消除或降低數/模轉換器引起的諧波的過(guò)程稱(chēng)為數字預失真或數字線(xiàn)性化。圖3所示為典型數字信號發(fā)生器的主要電路方框圖。
圖3：數字信號發(fā)生器方框圖。 系統操作有以下幾點(diǎn)說(shuō)明： ●數字波形部分儲存波形的數字采樣 ●DAC部分將數字采樣轉換為對應的模擬值 ●緩沖器部分提供必要的功率和輸出阻抗，作為被測設備(DUT)激勵 ●數字預失真部分提供預失真波形 用來(lái)激勵DUT的信號為正弦波。信號發(fā)生器利用數字采樣產(chǎn)生正弦波。 式1表示連接到DAC來(lái)產(chǎn)生模擬輸出信號的正弦波數字采樣。式1、2、3、4和5的顏色分別對應圖3中的相應方框。
式中： yd方程式表示數字信號 A1為基波信號的幅值 ω1 = 2 × pi × f1 f1為正弦波基頻 t為采樣周期 φ_1為基波信號的相位 式2表示信號發(fā)生器的模擬輸出。式2中的紅色項表示DAC和緩沖器(圖3中的紅色部分)引起的2次和3次諧波。
式中： A2和A3分別為2次和3次諧波的幅值 φ_2 和φ_3分別為2次和3次諧波的相位 圖3中，以藍色表示的數字預失真部分增加幅值相當但極性相反的諧波，以消除發(fā)生器輸出的諧波。式3表示經(jīng)過(guò)數字預失真后的波形。
其中yd_DPD為應用預失真后的數字波形。 式3產(chǎn)生的信號應用到DAC(見(jiàn)圖3)。因此，發(fā)生器輸出的新波形為：
其中ya_DPD為具有數字預失真的模擬輸出波形。 2次和3次諧波中幅值相當、極性相反的部分彼此抵消，因此形成式5：
選擇2次和3次諧波來(lái)產(chǎn)生數字預失真波形的過(guò)程是一種迭代法，在下文中詳述。 實(shí)施數字預失真 本實(shí)驗中，數字信號發(fā)生器(AP2722)工作在兩種模式下： 1.正弦波(D/A)模式 2.任意波(D/A)模式 正弦波(D/A)模式用于圖2和8所示的測量，任意波(D/A)模式用于圖5、6和7所示的測量。 在圖2所示的測量中，信號發(fā)生器提供10kHz正弦波，用于評估DAS性能。為實(shí)施數字預失真，我們使用信號發(fā)生器的任意波模式(見(jiàn)圖3)。我們使用MATLAB程序產(chǎn)生10kHz正弦波的數字采樣，形成.wav格式文件�，F在，可將這些數字采樣裝載到信號發(fā)生器，然后利用集成DAC將其轉換為10kHz模擬正弦波。本測試中使用的信號發(fā)生器具有內部緩沖器，最大容量可儲存16,384個(gè)數字采樣。 展示數字預失真的實(shí)驗 采用圖4所示的配置，利用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生10kHz正弦波。頻譜分析儀測量信號發(fā)生器的失真。10kHz陷波濾波器對基波信號進(jìn)行衰減，以減小頻譜分析儀的失真。
圖4：消除諧波的測試配置。 圖5所示為陷波濾波器之后的正弦波頻譜，無(wú)數字預失真。10kHz處的基波為-23dBV；2次諧波為-112dBV，3次諧波為-117dBV。
圖5：修正諧波之前的性能。 圖6所示為陷波濾波器之后、對裝載至信號發(fā)生器的內部緩沖器的數字采樣進(jìn)行數字預失真的測試結果。
圖6：數字修正之后的性能。 經(jīng)過(guò)數字預失真后，2次諧波從-112dBV降低至-123dBV，3次諧波從-117dBV降低至-124dBV。2次和3次諧波的降低有助于改善總THD。 需要謹慎實(shí)施數字預失真，每次降低一種諧波分量。按照式3，將所有與3次諧波相關(guān)的參數設置為0，降低2次諧波。從圖5可知，FFT中的2次諧波大約為-112dB，相當于2.5μV。在-2.5μV至+2.5μV之間迭代選擇A2的值，驗證哪種幅值有助于降低2次諧波。經(jīng)過(guò)幾次迭代，A2 = -1.5μV可降低2次諧波。也利用φ_2進(jìn)一步降低諧波。采用A2 = -1.5μV，以及φ_2 = -45°，產(chǎn)生消除2次諧波的最佳效果，如圖6所示。利用相同的迭代方法，A3 = -0.5μV與φ_3 = 45°相組合時(shí)，產(chǎn)生最佳效果，如圖6所示。 對信號發(fā)生器進(jìn)行DPD之后的DAS測量性能 圖7所示為消除2次和3次諧波之后DAS在1.6Msps時(shí)的性能。
圖7：任意波(D/A)模式下的FFT頻譜。 使用帶有數字預失真的任意波(D/A)模式，MAX11905DIFFEVKIT的動(dòng)態(tài)性能將DAS在1.6 MSPS時(shí)測得的THD改善了8dB，從-112dB降為-120dB。 任意波模式對SNR的限制 使用任意波(D/A)模式時(shí)的諧波通過(guò)數字預失真進(jìn)行抵消。然而，與使用正弦波(D/A)模式相比，在任意波(D/A)模式下觀(guān)察到SNR性能下降。 圖8所示為DAS在1.6Msps時(shí)的性能，使用信號發(fā)生器提供的正弦波(D/A)發(fā)生器模式。數據表明，與任意波模式相比，該模式下的信號發(fā)生器有2dB的SNR改善。
圖8：正弦波(D/A)模式下的FFT頻譜。 總結 本文介紹了可通過(guò)數字預失真技術(shù)改善數字信號發(fā)生器的THD，從而支持對超低失真DAS進(jìn)行評估。文章也演示了如何利用陷波濾波器消除基頻，從而提高信號分析儀的線(xiàn)性度。測試結果證明，數字預失真將MAX11905DIFEVKIT的THD改善了8.2dB，從-112dB降低至-120.2dB。 |
