Obtenga una caracterización analógica de precisión de clase instrumental con una fuente y una plataforma de medición llave en mano

La aparición de convertidores de mayor precisión y sistemas analógicos de ruido ultrabajo impulsa una creciente necesidad de soluciones de prueba que puedan caracterizar con mayor precisión el rendimiento. Aunque es posible crear plataformas internas para lograrlo, hacerlo conlleva costos y retrasos. Por su parte, las configuraciones tradicionales que comprenden generadores y analizadores separados pueden introducir distorsiones y variabilidad que erosionan la precisión y no cumplen los requisitos de caracterización de estos dispositivos y sistemas.

Este artículo ofrece una breve revisión de los retos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de desarrollar entornos avanzados de audio, señal mixta y pruebas automatizadas. A continuación, presenta una plataforma integrada de fuente y medición de precisión de Analog Devices, lista para usar, que permite generar estímulos de distorsión ultrabaja y realizar mediciones de alta resolución sin los inconvenientes de una instrumentación compleja.

La creciente demanda de capacidades de generación y medición de estímulos

En los entornos de audio de precisión, señal mixta y pruebas automatizadas, los ingenieros requieren cada vez más prestaciones de clase instrumental en formas compactas e integradas. Las pruebas de convertidores analógico-digitales (ADC) de alta resolución, la validación de la fidelidad de la banda de audio para auriculares, micrófonos y audífonos, y el apoyo a los flujos de trabajo de los equipos automáticos de prueba (ATE) de alto rendimiento exigen cada vez más a las fuentes de estímulo y a las capacidades de medición.

Las pruebas de alto rendimiento dependen de estímulos de onda sinusoidal excepcionalmente puros y bajo ruido de banda ancha para que cualquier distorsión y contribución de ruido de la fuente se mantenga muy por debajo de las del dispositivo bajo prueba (DUT). El análisis dinámico y la evaluación por transformada rápida de Fourier (FFT) requieren funciones coherentes de muestreo o de ventana para reducir las fugas espectrales y mantener la fidelidad de las mediciones cuando no se puede lograr la coherencia de otro modo.

La demanda de dispositivos de audio de mayor fidelidad impulsa la necesidad de tonos limpios y repetibles y patrones multitono en toda la banda de audio para revelar las contribuciones de distorsión, intermodulación y ruido. Estas exigencias se extienden a los entornos de pruebas automatizadas, donde los flujos de trabajo de producción de alto rendimiento dependen de un comportamiento determinista de los estímulos, perfiles de forma de onda predefinidos y condiciones de calibración estables.

El desarrollo de señales mixtas también se beneficia de fuentes de estímulo capaces de generar formas de onda de corriente continua (CC), sinusoidales, de doble tono y arbitrarias para apoyar la evaluación en una amplia gama de condiciones de funcionamiento.

La plataforma ADMX1001B de Analog Devices ofrece la combinación de características necesarias para afrontar estos retos.

Cómo la plataforma ADMX1001B permite una caracterización de precisión

Con unas dimensiones de solo 40 mm × 60 mm, el ADMX1001B de Analog Devices es un sistema en módulo (SoM) diseñado para ofrecer la fidelidad, repetibilidad y controlabilidad necesarias para la evaluación de precisión de la banda de audio utilizando formas de onda de tono único, tono doble, CC y arbitrarias. Subyacente a la arquitectura de la ADMX1001B, un sistema en chip (SoC) gestiona la síntesis de formas de onda, la temporización y la memoria, al tiempo que integra funciones de control de patrones, mantenimiento y supervisión. Gestionadas por este SoC, las cadenas de señales dedicadas proporcionan las capacidades de generación y medición de formas de onda de precisión del SoM (figura 1).

Figura 1: El SoM ADMX1001B integra cadenas de señales dedicadas de generación y adquisición de formas de onda bajo el control de un SoC integrado para soportar la evaluación de precisión de la banda de audio. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una caracterización fiable exige una fuente de estímulo que presente una distorsión armónica significativamente inferior a la del DUT y que, al mismo tiempo, mantenga la linealidad en todo el rango de amplitud y frecuencia requerido sin introducir artefactos durante el filtrado o la reconstrucción. El ADMX1001B alcanza el nivel de rendimiento necesario para los dispositivos de banda de audio de próxima generación gracias a su capacidad para generar tonos con una distorsión armónica total (THD) típica de -130 dB.

Para lograr este rendimiento, el ADMX1001B aplica múltiples técnicas. La cadena de señal totalmente diferencial del SoM encamina la salida del convertidor digital-analógico (DAC) de 20 bits a través de etapas de acondicionamiento de señal que filtran la energía de glitch asociada a las transiciones del código DAC y atenúan las réplicas espectrales fuera de banda, o componentes de imagen, de la señal analógica deseada que aparecen en múltiplos de la frecuencia de muestreo.

El ADMX1001B mejora aún más la pureza de salida de los tonos simples de hasta 20 kHz mediante un algoritmo patentado de predistorsión digital (DPD) que solo debe ejecutarse una vez para mejorar la linealidad para una combinación específica de frecuencia-amplitud. Al emplear la señal de salida realimentada a través de la ruta de detección DPD (VSENSEP y VSENSEN en la figura 1), el algoritmo DPD reconstruye digitalmente la señal de salida y la compara con un modelo para generar parámetros de corrección que mejoran significativamente la pureza de la onda sinusoidal (figura 2).

Figura 2: En comparación con la salida monotono sin DPD (izquierda), la aplicación de DPD (derecha) reduce significativamente los componentes armónicos y mejora la pureza espectral general. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ADMX1001B conserva estos parámetros generados como perfiles de forma de onda en un almacenamiento de memoria no volátil que alberga hasta 15 perfiles para formas de onda de tono único, tono único con DPD, tono doble y CC, así como un perfil para un perfil de forma de onda arbitraria proporcionado por el usuario (sujeto a las limitaciones de ancho de banda del filtro de salida de 27 kHz del SoM). Al recargar estos perfiles mediante control por hardware o software, los usuarios pueden cambiar rápidamente entre distintos tipos de forma de onda durante las pruebas de los dispositivos sin comprometer la pureza de la señal.

En el lado de la medición, el ADMX1001B incorpora un front-end analógico (AFE) con siete rangos de medición programables. El ajuste del rango de medición adecuado evita la saturación y preserva el rango dinámico completo del canal de entrada del SoM para señales de entrada dentro de los límites de ±7.5 voltios diferencial y ±7 voltios en modo común del SoM. Esta ruta de la señal también incluye un filtro antialiasing de 4º orden que acondiciona la señal antes de su conversión por el ADC de 24 bits y 256 kilo-muestras por segundo (kS/s) (vuelva a ver la figura 1). Dado que este filtro define el ancho de banda de adquisición utilizable, el contenido de mayor frecuencia se atenúa antes de llegar al ADC. Mientras que el filtro antialiasing proporciona un rechazo de hasta -130 dB, el canal de adquisición alcanza un rango dinámico total de hasta 128 dB con una THD típica de -115 dB (tono de entrada de 1 kHz a escala real).

En conjunto, estas capacidades de generación y adquisición de señales convierten al ADMX1001B en un módulo compacto de clase instrumental para proporcionar estímulos de gran pureza y mediciones sincronizadas. Para ayudar a los desarrolladores a aprovechar al máximo esta funcionalidad, Analog Devices ofrece un par de placas que permiten la evaluación inmediata de las capacidades del ADMX1001B y respaldan su propósito como banco de pruebas de precisión listo para usar.

Permita una evaluación rápida con un entorno de banco de pruebas llave en mano

Analog Devices proporciona una plataforma de evaluación completa que combina el ADMX1001B con la tarjeta de evaluación EVAL-ADMX100X-FMCZ (figura 3) y la tarjeta controladora SDP-H1 (EVAL-SDP-CH1Z). Al usarse conjuntamente, estas placas forman un entorno llave en mano que vincula el SoM ADMX1001B a una PC anfitrión, proporciona alimentación y sincronización, y expone las rutas de generación y adquisición de señales del módulo para su configuración y medición.

Figura 3: La tarjeta de evaluación EVAL-ADMX100X-FMCZ proporciona la alimentación, el encaminamiento de señales y la conectividad externa necesarios para acceder a las rutas de generación y adquisición de señales del ADMX1001B. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En esta configuración, la placa EVAL-ADMX100X-FMCZ sirve de interfaz principal para el SoM ADMX1001B, que se conecta a la placa a través de un conector mezzanine para la distribución de energía y las conexiones de señal. Los puertos de salida (OUTP/OUTN) proporcionan acceso a la fuente de distorsión ultrabaja, mientras que los puertos de entrada diferencial correspondientes (AINP/AINN) admiten las configuraciones de adquisición de señal externa o loopback utilizadas durante la calibración DPD. Los conectores adicionales sacan a la luz la ruta de detección DPD, las señales de disparo y sincronización del hardware y los controles de selección de modo para los flujos de trabajo de generación, adquisición y calibración.

La tarjeta de evaluación EVAL-ADMX100X-FMCZ se conecta a través de un conector FMC a la tarjeta controladora de alta velocidad SDP-H1 (figura 4), que proporciona las interfaces USB y paralela de alta velocidad necesarias para hacer funcionar la ADMX1001B desde una PC host. Construida en torno a una matriz de puertas programable en campo (FPGA) y un procesador de señales digitales, la placa controladora alimenta la placa de evaluación y gestiona la comunicación USB, las transferencias de configuración, la carga de perfiles y la adquisición a alta velocidad.

Figura 4: La conexión de la tarjeta de evaluación a la tarjeta controladora SDP-H1 completa un sistema llave en mano para la configuración del ADMX1001B, la generación de formas de onda y la medición de señales. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Analog Devices proporciona la herramienta de software de interfaz gráfica de usuario (GUI) ADMX100X para gestionar la generación de formas de onda, el entrenamiento DPD y los ajustes de adquisición (figura 5).

Figura 5: Una herramienta de software con una interfaz gráfica de usuario ayuda a gestionar la generación de formas de onda, el control de la adquisición y la calibración DPD. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Con la herramienta de software, los desarrolladores pueden seleccionar tipos de forma de onda, ajustar parámetros de tono, cargar patrones arbitrarios y cambiar entre perfiles almacenados. Cuando se entrena el DPD, la herramienta coordina la generación del estímulo, la captura de la trayectoria del sentido y el cálculo de los parámetros de corrección, y permite a los usuarios guardar el perfil en una memoria no volátil. La herramienta también presenta los rangos de medición del canal de adquisición y los controles de muestreo para la captura en el dominio temporal, la visualización FFT y la exportación de muestras desde el ADC. Al proporcionar un fácil acceso a los ajustes del hardware, la interfaz gráfica de usuario agiliza la configuración y el uso completo de las capacidades del ADMX1001B para la generación y medición de estímulos de precisión.

Conclusión

A medida que siguen apareciendo convertidores de banda de audio y sistemas de señal mixta más avanzados, las configuraciones típicas de los bancos de pruebas suelen introducir distorsión y variabilidad que limitan la precisión y repetibilidad de las mediciones de rendimiento. La plataforma integrada de generación y medición de formas de onda de Analog Devices ofrece la distorsión ultrabaja y el bajo ruido necesarios para caracterizar dispositivos de alta resolución con confianza. Con estas capacidades, los desarrolladores pueden evaluar con mayor eficacia los convertidores y subsistemas de banda de audio de próxima generación destinados a aplicaciones de alta fidelidad.