DigiKey
Avtor: Stephen Evanczuk
Aplikacije instrumentov v časovni domeni, kot so masna spektrometrija s časom letenja (TOF-MS), razporejena optična senzorika, optična koherentna tomografija in zelo hitri osciloskopi, zahtevajo natančno zajemanje signalov od enosmerne napetosti (DC) do frekvenc več gigahertzov (GHz).

Konvencionalne arhitekture zelo hitrih digitalizatorjev se soočajo s temeljno omejitvijo merilne natančnosti zaradi šuma, ki je značilen za analogno-digitalne pretvornike (ADC), kar razvijalce sili v kompromis med natančnostjo in širokopasovnim zajemanjem.

Ta članek ponuja kratek uvod v izzive digitalizacije, s katerimi se soočajo razvijalci instrumentov za merjenje časa. Nato predstavlja visoko zmogljiv digitalizator podjetja Analog Devices in pokaže, kako lahko razvijalci to ploščo in njene razvojne vire uporabijo za uspešno izvedbo.

Kako širokopasovni izzivi digitalizacije vplivajo na merilne instrumente v časovnem prostoru
Aplikacije instrumentov v časovni domeni imajo skupno zahtevo po natančni digitalizaciji v širokem pasu. V TOF-MS, na primer (slika 1), digitalizacija zagotavlja osnovo za identifikacijo vzorca. Tukaj se ioni iz vzorca pospešijo skozi vakuum, ki se vzdržuje v cevi, kjer dosežejo različne hitrosti, odvisno od njihovega razmerja med maso in nabojem. Vsaka skupina ionov z enakim razmerjem med maso in nabojem prispe do detektorja kot impulz, ki je širok le nekaj sto pikosekund (ps).

TOF-MS se opira na svoj zelo zmogljiv ADC podsistem, ki zanesljivo digitalizira impulz in določi njegov vrh, ki predstavlja čas prihoda vsakega ionskega sklopa in s tem maso tega tipa ionov. Ker je vsak vzorec ključen za določitev tega vrha, mora ADC podsistem zagotoviti hitrost gigavzorcev na sekundo (Gsamples/s), da zajame zadostno število vzorcev.

Zelo hitri osciloskopi in razpršeni optični senzorji imajo podobne zahteve glede natančnega merjenja signalov z visoko pasovno širino. Hitri osciloskopi zahtevajo natančno zajemanje hitrih prehodnih pojavov ob ohranjanju zvestobe izhodiščne vrednosti enosmernega toka. Razpršeni optični senzorski sistemi imajo enako potrebo po širokopasovnem zajemanju z nizko stopnjo šuma v celotnem merilnem pasu, od vrednosti blizu enosmernega toka do več GHz.

Izziv pri teh in drugih aplikacijah je zagotoviti široko pasovno širino in natančno merjenje, tudi pri nižjih frekvencah, kjer šum 1/f poslabša zmogljivost radiofrekvenčnih (RF) ADC-jev. Ta razred ADC-jev, optimiziran za zajemanje RF signalov, zagotavlja potrebno pasovno širino, vendar kaže povečan šum 1/f pri nizkih frekvencah pod svojim 1/f robom (slika 2).
Šum se poveča s padanjem frekvence, kar povzroči poslabšanje razmerja med signalom in šumom (SNR) ter povečano merilno negotovost pri nizkih frekvencah, tudi če ADC deluje dobro pri gigaherčnih frekvencah. Natančni ADC-ji zmanjšujejo 1/f šum s pomočjo arhitekturnih značilnosti, kot so stabilizacija chopperja, samodejno ničenje in korelirano dvojno vzorčenje, ki dajejo prednost natančnosti pri nizkih frekvencah pred širokopasovno zmogljivostjo, kar onemogoča njihovo uporabo pri GHz pasovnih širinah.

Za rešitev tega temeljnega kompromisa je potrebna nova arhitektura ADC z dvojno potjo, ki se uporablja v razvojni plošči ADMX6001-EBZ [3] podjetja Analog Devices.

Kako arhitektura z dvojno potjo ADMX6001 doseže širokopasovno natančnost
Razvojna plošča ADMX6001-EBZ je DC digitalizator, s hitrostjo 10 Gsamples/s in popolnim referenčnim dizajnom za nizkošumne, visokopasovne precizne digitalizatorje po meri. Rešuje kompromis med pasovno širino in natančnostjo z arhitekturo z dvojno potjo, ki vključuje zelo hitro ADC pot, optimizirano za širokopasovno zajemanje, in natančno ADC pot, optimizirano za natančnost pri nizkih frekvencah. Z združevanjem podatkov iz teh dveh poti plošča kompenzira 1/f šum v zelo hitrih ADC-jih in ohranja natančno digitalizacijo signala od DC do 5 GHz.

Zelo hitra pot se osredotoča na 12-bitni RF ADC AD9213 [4] podjetja Analog Devices (slika 3), ki lahko vzorči s hitrostjo 10 Gsamples/s. AD9213 je zasnovan za zagotavljanje široke trenutne pasovne širine in nizkih stopenj napak pretvorbe ter temelji na večstopenjskem, diferencialnem, pipelined ADC jedru z izhodno korekcijo napak. Da bi zagotovil maksimalno pasovno širino in deterministično zakasnitev izhoda, je v njegovo izhodno stopnjo integriran 16-pasovni JESD204B vmesnik. Poleg zagotavljanja hitrosti prenosa 16 gigabitov na sekundo (Gbit/s) izhodna stopnja uporablja standardne mehanizme JESD204B za ohranjanje deterministične zakasnitve med izhodom AD9213 in vhodom JESD204B gostiteljskega krmilnika.

Ta ADC zagotavlja visoko dinamično zmogljivost, potrebno za natančno zajemanje visokofrekvenčnih signalov. Pri 10 Gsamples/s z vhodom 1000 MHz pri -1 decibelu glede na polno skalo (dBFS) AD9213 kaže SNR 55,8 dBFS in dinamični razpon brez motenj (SFDR) 70 dBFS (tipično). Poleg tega ta naprava ohranja odličen SNR in SFDR na vhodnih frekvencah od 100 MHz do več kot 6 GHz (slika 4), kar izpolnjuje zahteve po širokopasovni natančnosti.

Natančna pot uporablja Analog Devices AD4080 [5], 20-bitni, 40 megavzorcev na sekundo (Msamples/s) diferencialni zaporedni aproksimacijski register (SAR) ADC z integriranim zaznavanjem dogodkov, digitalnim filtrom in dvojnim vhodnim vzorčevalnikom, ki zagotavlja natančno pretvorbo pri visokih hitrostih vzorčenja. Njegova izhodna stopnja omogoča neposreden dostop do rezultatov pretvorbe in do 16.384 vzorcev first-in-first-out (FIFO) prek vmesnika, ki podpira tako Serial Peripheral Interface (SPI) kot tudi nizkonapetostno diferencialno signalizacijo (LVDS). Tako kot AD9213 tudi AD4080 ponuja integrirane zmogljivosti, ki so zasnovane za zagotavljanje usklajenosti z gostiteljskim krmilnikom in upoštevanje zamikov pri širjenju sistema. AD9213 zagotavlja potrebno pasovno širino, AD4080 pa potrebno nizkofrekvenčno natančnost. Pri 1 kilohercu (kHz) AD4080 doseže 93,6 dB SNR in -110,2 dB skupno harmonično popačenje (THD) (slika 5).

Plošča ADMX6001-EBZ zadovoljuje potrebe instrumentov v časovnem dometu po obdelavi enostranskih, unipolarnih ali bipolarnih vhodnih signalov na različnih ravneh enosmernega toka. Poleg zelo hitrega ADC gonilnika za pretvorbo enojnih v diferencialne signale, natančen digitalno-analogni pretvornik (DAC) omogoča prednapetost (offset) za ADC gonilnik, da zagotovi nastavljiv DC odmik, s čimer se maksimira dinamični razpon zelo hitrega AD9213. Ta zmogljivost je bistvena v aplikacijah, kot je TOF-MS, kjer ustrezna nastavitev DC odmika zagotavlja, da je celoten dinamični razpon ADC na voljo za impulzne signale ionov.

Pospešitev ocenjevanja in razvoja s pomočjo spremljevalne plošče in programske opreme
Analog Devices je zasnoval razvojno ploščo ADMX6001-EBZ za delovanje z razvojnim kompletom AMD/Xilinx VCU118 (EK-U1-VCU118-G) [6] (slika 6). Komplet, ki temelji na visoko zmogljivem programirljivem logičnem polju (FPGA), zagotavlja vire in zmogljivost obdelave, potrebne za pridobivanje in združevanje podatkovnih tokov po dveh poteh. Za normalne digitalizacijske operacije se plošča ADMX6001-EBZ poveže z VCU118 prek izboljšane visoko zmogljive FPGA mezzanine kartice (FMC+) s konektorjem (HSPC), pri čemer za neprekinjeno delovanje uporablja majhen namizni ventilator.
Jedra intelektualne lastnine (IP) in pomnilniški bloki, instancirani v matrici FPGA VCU118, izvajajo ločene zelo hitre JESD204B in LVDS vmesnike, potrebne za sprejem dvojnih podatkovnih tokov iz zelo hitrega AD9213 in natančnega AD4080. Oba podatkovna toka se shranita v predpomnilnike FPGA, preden se preneseta v sistemski pomnilnik za nadaljnje združevanje in obdelavo, specifično za aplikacijo.

Za ocenjevanje plošče ADMX6001-EBZ in digitalizacijo signalov Analog Devices ponuja grafično uporabniški vmesnik (GUI) orodje IIO Oscilloscope [7] in obsežno knjižnico Python PyADI-IIO [8]. Orodje IIO Oscilloscope je večplatformni GUI za interaktivno spreminjanje nastavitev plošče, zajemanje podatkov in risanje rezultatov. Da bi na primer omogočili AD9213 v DC načinu, bi razvijalci uporabili ploščo orodja IIO Oscilloscope (slika 7) za določitev naprave (v tem primeru AD9213), registra, ki jih zanima (v tem primeru 0x1617), in njegove vrednosti (0x1).

Knjižnica PyADI-IIO zagotavlja vmesnik za programiranje aplikacij (API) za funkcionalnost plošče, zgrajen okoli razreda Python (Hammerhead), ki inicializira ploščo na privzete nastavitve in zagotavlja metode, ki abstrahirajo nizko ravninske operacije za nastavitev prednapetosti, zajemanje podatkov iz vsakega ADC in risanje rezultatov.

Vzorec kode, kot je skript ADMX6001_acquisition.py knjižnice PyADI-IIO, prikazuje osnovne vzorce oblikovanja za uporabo teh metod za bolj zapletene evalvacijske sekvence. Na primer, za digitalizacijo vhodnega signala pri različnih DC prednapetostih, razvijalci uvozijo razred Hammerhead iz modula ADMX6001_MultiClass_pCal knjižnice in ustvarijo njegovo instanco.

Razvijalci potrebujejo le nekaj vrstic kode, ki uporabljajo metode te instance, da ocenijo sposobnost plošče ADMX6001-EBZ za zajemanje vzorcev pri različnih DC prednapetostih (Program 1).
import adi
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import time as dt
import ADMX6001_MultiClass_pCal as HMC
from scipy.fft import fft, rfftfreq

Initialize ADMX6001 board

HH = HMC.Hammerhead(»ip:192.168.2.1«)
…
dac_offset1 = 0
HH.set_dac_offset(dac_offset1)
hispeed_data1 = HH.capture_data_ad9213(216) # Capture specified # of samples @ 10GSPS HH.plot_data_ad9213(hispeed_data1) # Plot data captured by high speed path … dac_offset2 = 200 # Set offset voltage in mV HH.set_dac_offset(dac_offset2) # Set offset voltage in mV hispeed_data2 = HH.capture_data_ad9213(216) # Capture specified # of samples @ 10GSPS
HH.plot_data_ad9213(hispeed_data2) # Plot data captured by high speed path
…
dac_offset3 = -200 # Set offset voltage in mV
HH.set_dac_offset(dac_offset3) # Set offset voltage in mV
hispeed_data3 = HH.capture_data_ad9213(2**16) # Capture specified # of samples @ 10GSPS
HH.plot_data_ad9213(hispeed_data3) # Plot data captured by high speed path

plot three AD9213 acquisitions with different dc bias/offset

x_time = np.arange(0, len(hispeed_data1))(10*(-4))
fig, (ax) = plt.subplots(1, 1)
ax.plot(x_time, hispeed_data1, label=str(dac_offset1) + ‘mV offset’)
ax.plot(x_time, hispeed_data2, label=str(dac_offset2) + ‘mV offset’)
ax.plot(x_time, hispeed_data3, label=str(dac_offset3) + ‘mV offset’)

Program 1: Kot je prikazano v tem odlomku kode iz knjižnice PyADI-IIO, razvijalci potrebujejo le nekaj vrstic kode, da ocenijo sposobnost plošče ADMX6001-EBZ za zajemanje vzorcev pri različnih DC prednapetostih. (Vir kode: Analog Devices)

Z risanjem podatkov, zajetih iz istega vhodnega signala pri treh nastavitvah DC offset (0 milivoltov (mV), 200 mV, -200 mV), je prikazana sposobnost plošče ADMX6001-EBZ, da prilagodi vhodno prednapetost za optimizacijo izkoriščanja dinamičnega razpona zelo hitrega ADC (slika 8).

Ti dve orodji skupaj pospešujeta ocenjevanje in razvoj. Medtem ko grafični vmesnik IIO osciloskopa omogoča hiter, interaktiven način preverjanja različnih nastavitev registrov in možnosti zajemanja, knjižnica PyADI-IIO omogoča izvajanje bolj zapletenih zaporedij operacij.

Zaključek
Instrumentacijske aplikacije, ki zahtevajo natančno digitalizacijo od enosmerne napetosti do več GHz frekvenc, prisilijo razvijalce, da se odločijo med širokopasovnim zajemanjem in nizkofrekvenčno natančnostjo.

Razvojna plošča ADMX6001-EBZ DC-coupled 10 GSPS digitizer podjetja Analog Devices rešuje ta kompromis z arhitekturo z dvojno potjo.

V kombinaciji z razvojnim kompletom FPGA in programskimi orodji ta plošča zagotavlja razvojno platformo in popoln referenčni dizajn, ki pospešuje razvoj natančnih širokopasovnih digitalizatorjev za zahtevne aplikacije v časovni domeni.

Viri:
ADMX6001-EBC Product Demo Video
ADMX6001-EBZ HDL project (reference design)
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/ADMX6001-EBZ/28245167
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD9213BBPZ-10G/10659342
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/AD4080BBCZ/24614756
https://www.digikey.com/en/products/detail/amd/EK-U1-VCU118-G/7604184
https://wiki.analog.com/resources/tools-software/linux-software/iio_oscilloscope
https://github.com/analogdevicesinc/pyadi-iio/tree/admx6001_v1

Odgovornost: Mnenja, prepričanja in stališča, ki jih izražajo različni avtorji in/ali udeleženci v tem članku, ne odražajo nujno mnenj, prepričanj in stališč podjetja DigiKey ali uradnih politik podjetja DigiKey.

Prispevek urednikov DigiKey za Severno Ameriko
https://www.digikey.com