通过改善信号发生器的失真来测量宽动态范围数字采集系统

作者: Srudeep Patil,Carmelo Morello

数据采集系统(DAS)将模拟信号转换为数字格式，然后经过数字信号处理器的分析，从而析取有用的信息。成像、音频以及振动分析等有些应用要求DAS具有高信噪比(SNR)和超低总谐波失真(THD)。

开发宽动态范围DAS带来众多设计和测试挑战。主要的测试挑战是缺乏具有较好THD和SNR的信号源。当DAS的额定值为100dB SNR和-120dB THD时，信号发生器的THD和SNR就成为关键因素。

本文介绍数字预失真如何改善数字信号发生器的失真性能，从而支持测量THD为-120dB的超低失真DAS。

为什么要改进信号源失真？

为了对DAS的THD进行特征分析，应将无失真的理想正弦波连接到系统输入。此时，在DAS的输出测量DAS非线性引起的THD。

为保证在输出测得的THD是由DAS非线性造成的，所用信号发生器的失真与被测DAS相比应能够忽略不计。然而，大多数信号发生器的性能往往不足以测量THD优于-120dB的超低失真DAS。所以，为了评估以及保证DAS测量质量，我们需要改进信号发生器的失真性能。

DAS及测量配置

DAS的主要信号通路设计采用低失真和低噪声器件。实验采用MAX11905DIFEVKIT宽动态和超低失真DAS。MAX11905DIFEVKIT DAS有三个主要器件：

●MAX44205：全差分放大器，180MHz增益带宽积，3nVRMS噪声
●MAX11905：全差分SAR ADC，20位，1.6MSPS，低功耗
●MAX6126：超高精度、超低噪声串联型电压基准

表1所示为所用信号链器件的噪声和失真性能。

表1：DAS信号链中所用器件的性能


测试DAS动态性能的测试配置如图1所示。低失真信号发生器为Audio Precision (AP) 2722。


图1：测量DAS动态性能的测试配置。

Audio Precision 2722用于产生全差分10kHz正弦波信号，施加到增益为1V/V 的MAX44205驱动器。MAX11905 ADC工作在全差分模式，VREF= 3V，由MAX6126电压基准提供。信号分析仪和ADC同步至相同的时钟发生器，以实现相干采样测量。

利用传统方法测量DAS性能

图2所示为利用图1中测试配置测得的DAS动态性能结果。ADC的采样率为1.6MSPS。


图2：在MAX11905DIFFEVKIT上、采样率为1.6MSPS时测得的DAS系统的原始FFT和动态性能。

97.3dB SNR相对较好，但输出处的谐波高于DAS的期望值。如我们后文所说，受信号发生器的失真所限，THD测量值为-112dB。

利用数字预失真(DPD)改善失真

应用数字修正技术，以改善数字信号发生器的失真或THD。向数字信号中增加谐波以消除或降低数/模转换器引起的谐波的过程称为数字预失真或数字线性化。图3所示为典型数字信号发生器的主要电路方框图。


图3：数字信号发生器方框图。

系统操作有以下几点说明：

●数字波形部分储存波形的数字采样
●DAC部分将数字采样转换为对应的模拟值
●缓冲器部分提供必要的功率和输出阻抗，作为被测设备(DUT)激励
●数字预失真部分提供预失真波形

用来激励DUT的信号为正弦波。信号发生器利用数字采样产生正弦波。

式1表示连接到DAC来产生模拟输出信号的正弦波数字采样。式1、2、3、4和5的颜色分别对应图3中的相应方框。



式中：

yd方程式表示数字信号

A1为基波信号的幅值

ω1 = 2 × pi × f1

f1为正弦波基频

t为采样周期

φ_1为基波信号的相位

式2表示信号发生器的模拟输出。式2中的红色项表示DAC和缓冲器(图3中的红色部分)引起的2次和3次谐波。



式中：

A2和A3分别为2次和3次谐波的幅值

φ_2 和φ_3分别为2次和3次谐波的相位

图3中，以蓝色表示的数字预失真部分增加幅值相当但极性相反的谐波，以消除发生器输出的谐波。式3表示经过数字预失真后的波形。



其中yd_DPD为应用预失真后的数字波形。

式3产生的信号应用到DAC(见图3)。因此，发生器输出的新波形为：



其中ya_DPD为具有数字预失真的模拟输出波形。

2次和3次谐波中幅值相当、极性相反的部分彼此抵消，因此形成式5：



选择2次和3次谐波来产生数字预失真波形的过程是一种迭代法，在下文中详述。

实施数字预失真 

本实验中，数字信号发生器(AP2722)工作在两种模式下：

1.正弦波(D/A)模式

2.任意波(D/A)模式

正弦波(D/A)模式用于图2和8所示的测量，任意波(D/A)模式用于图5、6和7所示的测量。

在图2所示的测量中，信号发生器提供10kHz正弦波，用于评估DAS性能。为实施数字预失真，我们使用信号发生器的任意波模式(见图3)。我们使用MATLAB程序产生10kHz正弦波的数字采样，形成.wav格式文件。现在，可将这些数字采样装载到信号发生器，然后利用集成DAC将其转换为10kHz模拟正弦波。本测试中使用的信号发生器具有内部缓冲器，最大容量可储存16,384个数字采样。