Usar la predistorsión digital para crear un generador de señales de precisión casi perfecta

Siempre ha sido un desafío crear formas de onda estándar de alta precisión, como las sinusoidales y las arbitrarias, utilizando circuitos totalmente analógicos, ya que se deben identificar y superar numerosas fuentes de error sutiles e inevitables. La incorporación de la predistorsión digital (DPD) en el diseño y su combinación con la retroalimentación basada en la salida mejora significativamente el rendimiento alcanzable.

La precisión es una designación de sistema y rendimiento citada y exigida con frecuencia. En pruebas y mediciones, puede referirse a precisión absoluta, consistencia superior, alta linealidad, alta resolución, pureza general de la forma de onda, baja distorsión y minimización de ruido y artefactos.

Los diseñadores pueden emplear una combinación de estrategias para lograr la precisión necesaria. Estas estrategias incluyen:

• Elegir componentes con mayor precisión y coeficientes de deriva térmica más bajos, e incluso envejecerlos antes de su uso para eliminar imperfecciones y tendencias de deriva. Esto se hace a menudo con referencias de voltaje donde una sola pieza de alta precisión y baja deriva puede beneficiar enormemente el rendimiento del sistema.
• Utilizar topologías de circuitos que ofrecen autocancelación de fuentes de error, como arreglos ratiométricos. Esto puede significar utilizar el clásico puente de Wheatstone o un amplificador diferencial con resistencias emparejadas en un sustrato común con el beneficio de una deriva térmica equilibrada.
• Implementar esquemas de compensación donde se utilizan juntos los componentes con derivas térmicas iguales, pero opuestas para cancelar los cambios.
• Adherirse a las mejores prácticas para el diseño físico, incluidos grandes planos de tierra, gestión de flujos de corriente, evitar diferenciales térmicos locales e identificar y eliminar termopares involuntarios debido a desajustes entre materiales como las pistas de placa de circuito integrado (placa de CI) de cobre y los terminales de componentes estañados.
• Utilizar una calibración única del sistema contra un estándar conocido, luego ajustar el circuito usando componentes analógicos como potenciómetros o, más comúnmente, factores de corrección almacenados digitalmente.

Los diseñadores de enlaces de datos de alta velocidad suelen utilizar la DPD, un enfoque más sofisticado. En lugar de intentar mejorar el canal de enlace, lo que suele ser poco práctico o imposible de controlar, esta técnica caracteriza la distorsión del canal. Luego crea una forma de onda de bit con una forma de onda de distorsión inversa, de modo que esta forma de onda predistorsionada y la distorsión del canal se cancelan entre sí. Esto reduce la tasa de error de bit (BER) y admite velocidades de datos más altas. En las implementaciones más avanzadas, los ajustes de predistorsión no son estáticos, sino que se ajustan dinámicamente en tiempo real para adaptarse a medida que cambian las condiciones del canal.

La predistorsión proporciona precisión para formas de onda analógicas.

La DPD es útil para más que solo señales digitales de alta velocidad. También se puede utilizar para mejorar las formas de onda de un generador de funciones analógicas. Esta capacidad queda demostrada por el generador de forma de onda arbitrario (AWG) controlado digitalmente, de bajo ruido y distorsión ultrabaja (Figura 1) ADMX1002B de Analog Devices. Tenga en cuenta que la versión ADMX1001B, por lo demás idéntica, añade un canal de adquisición de señal de entrada analógica diferencial; hablaremos más sobre esta versión más adelante. El kit de evaluación EVAL-ADMX100X-FMCZ admite ambas.

Figura 1: El ADMX1002B (izquierda) es un generador de forma de onda arbitrario y sinusoidal de alta precisión; el ADMX1001B (derecha) es similar, pero agrega un canal de adquisición de datos en forma de una placa que se inserta en un conector en el ADMX1002B. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ADMX1002B proporciona las señales sinusoidales diferenciales de mayor pureza de su clase al explotar un algoritmo de DPD, utilizando un método patentado para detectar y corregir su salida (Figura 2).

Figura 2: El ADMX1002B incorpora un algoritmo de DPD y detecta y corrige su propia salida para lograr la máxima precisión; el ADMX1001B agrega el circuito de adquisición de datos que se muestra en la parte inferior y en la parte inferior derecha del diagrama de bloques. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La unidad proporciona salidas de 30 Hertz (Hz) a 40 kilohertz (kHz) cuando no se utiliza el algoritmo de DPD y hasta 20 kHz con DPD invocada. La interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en PC suministrada se conecta a una placa controladora de plataforma de demostración del sistema (SDP) a través de una conexión USB.

El modo no DPD es el modo predeterminado cuando se carga una nueva frecuencia o amplitud de onda sinusoidal en el registro; este es el modo operativo inicial para la generación de forma de onda arbitrarias. Debido a su arquitectura, el rendimiento del módulo ADMX1002 supera el rendimiento nativo de los componentes, incluso en modo no DPD.

El software o hardware puede habilitar el algoritmo de DPD. El proceso no requiere entradas de referencia externas y aprovecha un método patentado de detección diferencial temporal y de amplitud.

El algoritmo requiere que las entradas de detección se conecten a la salida del ADMX1001 para usarse en la rutina del procesador para generar una forma de onda sinusoidal de pureza ultraalta. Con la DPD habilitada, la distorsión armónica total (THD) a 1 kHz es un valor típico extremadamente bajo de -130 decibeles (dB) (amplitud hasta 3.62 voltios rms) y solo se degrada unos pocos decibeles hasta 20 kHz (Figura 3).

Figura 3: Un gráfico de frecuencia frente a THD muestra claramente la mejora en la THD con la adición de la DPD. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La DPD también mejora enormemente la pureza de la forma de onda sinusoidal, como lo muestra la transformada rápida de Fourier (FFT) a 1 kHz con una salida de 2 voltios rms antes y después de la DPD (Figura 4).

Figura 4: La invocación de la DPD mejora en gran medida la pureza de la onda sinusoidal al atenuar los armónicos pares e impares de la frecuencia fundamental, como se ve en las mediciones tomadas antes (izquierda) y después (derecha) de la DPD. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Más allá de la salida de onda sinusoidal única

La ADMX1002B también puede generar ondas sinusoidales de dos tonos de 30 Hz a 20 kHz en modo ráfaga o continuo. Las frecuencias de forma de onda se pueden programar con una alta precisión de resolución de 1 microhercio (µHz), y las amplitudes se pueden programar con una resolución de 1 microvoltio (µV).

Además, la unidad puede funcionar como un AWG programado por el usuario. La señal del AWG puede programarse para que dure hasta 20 segundos (s) y almacenarse en una memoria volátil. La generación continua del AWG se puede implementar repitiendo la forma de onda almacenada. La salida del ADMX1002 contiene un filtro de paso bajo de 27 kHz, lo que permite generar formas de onda del AWG dentro de esta banda.

También, hay disponibles salidas de CC. La ADMX1002 puede generar señales de salida de CC diferenciales de hasta 11.3 voltios de CC (VCC) entre las conexiones de salida positiva y negativa V_p y V_n. Este nivel de salida se puede ajustar en pasos precisos de 1 µV.

Aceptar entradas analógicas

Como se señaló anteriormente, Analog Devices también ofrece la ADMX1001, un superconjunto del ADMX1002 que tiene todas las funciones, características y rendimiento de esta última, pero agrega capacidades de entrada analógica. Esta solución de adquisición de datos altamente integrada proporciona siete configuraciones de ganancia programables con un rango de entrada diferencial máximo de ±7.5 voltios y un rango de entrada de modo común máximo de ±7 voltios. El filtro de suavizado integral de cuarto orden proporciona rechazo de hasta −130 dB, mientras que el rango dinámico total del canal de adquisición es de hasta 128 dB con un THD de −115 dB (típico) cuando se mide con un tono de entrada de 1 kHz a escala completa.

Conclusión

La DPD proporciona beneficios en la generación precisa de señales analógicas, como ondas sinusoidales de uno o dos tonos, así como formas de onda arbitrarias definidas por el usuario. La forma de onda resultante, medida mediante parámetros estándar como THD y FFT, muestra un rendimiento en el rango de 130 dB en la banda de audio. La incorporación de la función de adquisición de datos en la ADMX1001 agrega versatilidad de diseño.

Contenido relacionado

“User Guide for ADMX1001 and ADMX1002, Ultra-low Distortion, Low Noise Signal Generator and Acquisition Evaluation Modules” (“Guía del usuario de ADMX1001 y ADMX1002, generadores de señales de bajo ruido y distorsión ultrabaja y módulos de evaluación de adquisición”)

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

“ADMX1001/ADMX1002 Ultralow Distortion Sine Wave and High-Resolution Arbitrary Waveform Generator + Acquisition Module” (“Generador de ondas sinusoidales de distorsión ultrabaja y formas de onda arbitrarias de alta resolución ADMX1001/ADMX1002 + módulo de adquisición”) (video)

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

“High Performance Source for ADC and Audio Test with Novel Digital Predistortion” (“Fuente de alto rendimiento para ADC y pruebas de audio con predistorsión digital novedosa”)

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