Verwenden Sie eine Doppelpfad-ADC-Architektur für die rauscharme Erfassung von Breitbandsignalen

Anwendungen im Zeitbereich wie Laufzeit-Massenspektrometrie (TOF-MS), verteilte faseroptische Sensoren, optische Kohärenztomographie und Highspeed-Oszilloskope erfordern eine präzise Signalerfassung von Gleichstrom- bis zu Multi-Gigahertz-Frequenzen (GHz). Herkömmliche Highspeed-Digitalisierer-Architekturen unterliegen aufgrund des Rauschens der Analog/Digital-Wandler (ADCs) einer grundlegenden Einschränkung der Messgenauigkeit, so dass Entwickler gezwungen sind, einen Kompromiss zwischen Präzision und Breitbanderfassung einzugehen.

Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in die Herausforderungen der Digitalisierung, denen sich Entwickler von im Zeitbereich arbeitenden Instrumenten gegenübersehen. Anschließend wird ein Hochleistungsdigitalisierer von Analog Devices vorgestellt und gezeigt, wie Entwickler diese Karte und ihre Entwicklungsressourcen für eine erfolgreiche Implementierung nutzen können.

Wie sich die Herausforderungen der Breitbanddigitalisierung auf die Instrumentierung im Zeitbereich auswirken

Instrumente, die im Zeitbereich arbeiten, erfordern eine präzise Digitalisierung über eine große Bandbreite. Bei der TOF-MS (Abbildung 1) beispielsweise bildet die Digitalisierung die Grundlage für die Probenidentifizierung. Dabei werden Ionen aus einer Probe durch das in der Flugröhre aufrechterhaltene Vakuum beschleunigt, wobei sie je nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis unterschiedliche Geschwindigkeiten erreichen. Jeder Ionencluster mit demselben Masse-Ladungs-Verhältnis erreicht den Detektor in Form eines Pulses, der nur wenige hundert Pikosekunden (ps) dauert.

Abbildung 1: Bei der TOF-MS bewegen sich die auf die gleiche kinetische Energie beschleunigten Ionen je nach Masse mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wobei die leichteren Ionen den Detektor zuerst erreichen, so dass die Masse direkt aus der Flugzeit berechnet werden kann. (Bildquelle: Analog Devices)

Das TOF-MS stützt sich auf sein hochleistungsfähiges ADC-Subsystem, um den Puls zuverlässig zu digitalisieren und seine Spitze zu bestimmen, die die Ankunftszeit jedes Ionenclusters und damit die Masse dieser Ionenart darstellt. Da jeder Abtastwert für die Bestimmung dieser Spitze entscheidend ist, muss das ADC-Subsystem Gigasamples pro Sekunde (GSamples/s oder GS/s) liefern, um genügend Abtastwerte zu erfassen.

Highspeed-Oszilloskope und verteilte faseroptische Sensoren stellen ähnliche Anforderungen an eine genaue Signalmessung mit hoher Bandbreite. Highspeed-Oszilloskope erfordern die genaue Erfassung schneller Transienten bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gleichstrom-Basisliniengenauigkeit. Verteilte faseroptische Messsysteme benötigen eine breitbandige Erfassung mit geringem Rauschen über die gesamte Messbandbreite, von nahezu DC bis zu mehreren Gigahertz.

Die Herausforderung bei diesen und anderen Anwendungen besteht darin, sowohl eine große Bandbreite als auch eine präzise Messung zu gewährleisten, selbst bei niedrigen Frequenzen, bei denen das 1/f-Rauschen die Leistung von Hochfrequenz-ADCs beeinträchtigt. Diese für die Erfassung von HF-Signalen optimierte ADC-Klasse bietet die erforderliche Bandbreite, weist jedoch bei niedrigen Frequenzen unterhalb der 1/f-Eckfrequenz ein erhöhtes 1/f-Rauschen auf (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das 1/f-Rauschen, das ADCs innewohnt, nimmt bei Frequenzen unterhalb der 1/f-Eckfrequenz zu und begrenzt die Messgenauigkeit. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Rauschen nimmt mit abnehmender Frequenz zu, was zu einem verschlechterten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und einer erhöhten Messunsicherheit bei niedrigen Frequenzen führt, selbst wenn der ADC bei Gigahertz-Frequenzen gut funktioniert. Präzisions-ADCs minimieren das 1/f-Rauschen durch architektonische Merkmale wie Chopper-Stabilisierung, Auto-Nullstellung und korrelierte Doppelabtastung, die der Genauigkeit im Niederfrequenzbereich Vorrang vor der Breitbandleistung einräumen, was ihren Einsatz bei GHz-Bandbreiten ausschließt.

Die Bewältigung dieses grundlegenden Kompromisses erfordert die neuartige Doppelpfad-ADC-Architektur, die im Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ von Analog Devices verwendet wird.

Wie die Doppelpfad-Architektur des ADMX6001 Breitbandpräzision erreicht

Das Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ ist ein DC-gekoppelter Digitalisierer mit 10 GS/s und ein komplettes Referenzdesign für kundenspezifische rauscharme Präzisionsdigitalisierer mit hoher Bandbreite. Er löst den Kompromiss zwischen Bandbreite und Präzision durch eine Zweipfad-Architektur, die einen Highspeed-ADC-Pfad umfasst, der für die Breitbanderfassung optimiert ist, und einen Präzisions-ADC-Pfad, der für die Genauigkeit bei niedrigen Frequenzen optimiert ist. Durch die Kombination der Daten aus diesen beiden Pfaden kompensiert die Karte das 1/f-Rauschen in Highspeed-ADCs und gewährleistet eine genaue Signaldigitalisierung von DC bis 5 GHz.

Der Highspeed-Pfad basiert auf dem 12-Bit-HF-ADC AD9213 von Analog Devices (Abbildung 3), der eine Abtastrate von 10 GS/s erreichen kann. Der AD9213 basiert auf einem mehrstufigen, differenziellen Pipeline-ADC-Kern mit Ausgangsfehlerkorrektur, der für eine hohe Momentanbandbreite und niedrige Wandlungsfehlerraten ausgelegt ist. Um eine maximale Bandbreite und deterministische Ausgangslatenz zu gewährleisten, ist in der Ausgangsstufe eine 16-spurige JESD204B-Schnittstelle integriert. Neben der Bereitstellung von Übertragungsraten von 16 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) verwendet die Ausgangsstufe Standard-JESD204B-Mechanismen, um eine deterministische Latenz zwischen dem Ausgang des AD9213 und dem JESD204B-Eingang eines Host-Controllers zu gewährleisten.

Abbildung 3: Der AD9213 integriert einen mehrstufigen, differentiellen Pipeline-ADC-Kern mit Ausgangsfehlerkorrektur und einer 16-spurigen JESD204B-Schnittstelle, die Übertragungsraten von bis zu 16 Gbit/s unterstützt. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser ADC bietet die hohe Dynamik, die für die genaue Erfassung von Hochfrequenzsignalen erforderlich ist. Bei 10 GS/s mit einem 1000-MHz-Eingang bei -1 Dezibel relativ zur vollen Skala (dBFS) weist der AD9213 ein SNR von 55,8 dBFS und einen störungsfreien Dynamikbereich (SFDR) von 70 dBFS (typisch) auf. Darüber hinaus bietet dieser Baustein ein ausgezeichnetes SNR und SFDR bei Eingangsfrequenzen von 100 MHz bis über 6 GHz (Abbildung 4) und erfüllt damit die Anforderungen an die Breitbandgenauigkeit.

Abbildung 4: Der AD9213 bietet eine hohe SNR- und SFDR-Performance über Eingangsfrequenzen von 100 MHz bis über 6 GHz hinaus und bietet damit die für die Zeitbereichsmessung erforderliche Breitband-Erfassungsfähigkeit. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Präzisionspfad verwendet den AD4080 von Analog Devices, einen differenziellen SAR-ADC (Successive-Approximation-Register) mit 20 Bit und 40 Megasamples pro Sekunde (MS/s), der über eine integrierte Ereigniserkennung, einen digitalen Filter und einen Sampler mit zwei Eingängen verfügt, um eine präzise Umwandlung bei hohen Abtastraten zu gewährleisten. Die Ausgangsstufe bietet direkten Zugriff auf die Konvertierungsergebnisse und einen FIFO-Speicher (First-in-First-out) für 16.384 Samples über eine Schnittstelle, die sowohl SPI- (Serial Peripheral Interface) als auch LVDS-Ausgaben (Low-Voltage Differential Signaling) unterstützt. Wie der AD9213 verfügt auch der AD4080 über integrierte Funktionen, die den Abgleich mit dem Host-Controller und die Berücksichtigung von Systemlaufzeiten ermöglichen. Während der AD9213 die erforderliche Bandbreite liefert, sorgt der AD4080 für die nötige Präzision bei niedrigen Frequenzen. Bei 1 Kilohertz (kHz) erreicht der AD4080 93,6 dB SNR und -110,2 dB Gesamtverzerrung (THD) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Bei 1 kHz erreicht der AD4080 einen SNR-Wert von 93,6 dB und einen THD-Wert von -110,2 dB, was die Präzision bei niedrigen Frequenzen demonstriert, die die Breitbanderfassung des AD9213 ergänzt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Karte ADMX6001-EBZ erfüllt die Anforderungen von Zeitbereichsinstrumenten an die Verarbeitung von unsymmetrischen, unipolaren oder bipolaren Eingangssignalen mit unterschiedlichen Gleichstrompegeln. Neben einem Highspeed-ADC-Treiber für die Referenzbezogen-zu-Differenz-Wandlung sorgt ein Präzisions-Digital/Analog-Wandler (DAC) für die Vorspannung des ADC-Treibers, um einen einstellbaren DC-Offset zu ermöglichen und so den Dynamikbereich des Highspeed-AD9213 zu maximieren. Diese Fähigkeit ist für Anwendungen wie TOF-MS von entscheidender Bedeutung, bei denen eine ordnungsgemäße DC-Offset-Einstellung sicherstellt, dass der volle dynamische Bereich des ADC für gepulste Ionensignale zur Verfügung steht.

Beschleunigung von Evaluierung und Entwicklung mit einem Begleitboard und Software

Analog Devices hat das Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ für die Verwendung mit dem Evaluierungskit VCU118 (EK-U1-VCU118-G) von AMD/Xilinx entwickelt (Abbildung 6). Das Kit basiert auf einem hochleistungsfähigen FPGA (Field-Programmable Gate Array) und bietet die erforderlichen Ressourcen und Verarbeitungsfähigkeiten für die Erfassung und Kombination von Doppelpfad-Datenströmen. Für normale Digitalisierungsvorgänge wird das Board ADMX6001-EBZ mit dem VCU118 über einen verbesserten FMC+-HSPC-Anschluss mit hohem Durchsatz (FMC: FPGA-Mezzanine-Card, HSPC: High Serial Pin Connector) verbunden, wobei ein kleiner Tischlüfter für einen dauerhaften Betrieb sorgt.

Abbildung 6: Das Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ wird über einen durchsatzstarken FMC+-HSPC-Anschluss mit dem VCU118-Kit verbunden und bietet so eine vollständige Hardware-Plattform zur Evaluierung der Doppelpfad-Digitalisierungsleistung. (Bildquelle: Analog Devices)

IP-Kerne (IP: Intellectual Property) und Speicherblöcke, die in der FPGA-Matrix der VCU118 instanziiert sind, implementieren die separaten Highspeed-JESD204B- und LVDS-Schnittstellen, die für den Empfang der zwei Datenströme von dem Highspeed-AD9213 und dem Präzisions-AD4080 erforderlich sind. Beide Datenströme werden in FPGA-Speicherpuffer eingespeist, bevor sie zur anschließenden Zusammenführung und anwendungsspezifischen Verarbeitung in den Systemspeicher übertragen werden.

Für die Evaluierung des Boards ADMX6001-EBZ und der Signaldigitalisierung stellt Analog Devices sein Tool IIO Oscilloscope mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) und seine umfassende Python-Bibliothek PyADI-IIO zur Verfügung. Das IIO-Oscilloscope-Tool ist eine plattformübergreifende grafische Benutzeroberfläche für die interaktive Änderung von Board-Einstellungen, die Erfassung von Daten und die Darstellung der Ergebnisse. Um z. B. den DC-gekoppelten Modus des AD9213 zu aktivieren, verwenden die Entwickler ein IIO-Oscilloscope-Toolpanel (Abbildung 7), um das Gerät (in diesem Fall AD9213), das betreffende Register (hier 0x1617) und dessen Wert (0x1) anzugeben.

Abbildung 7: Die IIO-Oscilloscope-GUI bietet direkten Registerzugriff zur Konfiguration der ADC-Betriebsmodi. Hier wird der DC-gekoppelte Modus des AD9213 durch Schreiben von 0x1 in Register 0x1617 aktiviert. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Bibliothek PyADI-IIO bietet eine Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) zu den Funktionen der Karte, die um eine Python-Klasse (Hammerhead) herum aufgebaut ist, die die Karte mit den Standardeinstellungen initialisiert und Methoden bereitstellt, die Low-Level-Operationen für die Einstellung des Offsets, die Erfassung von Daten von jedem ADC und das Plotten der Ergebnisse abstrahieren.

Beispielcode, wie das Skript ADMX6001_acquisition.py der Bibliothek PyADI-IIO, demonstriert grundlegende Entwurfsmuster für die Verwendung dieser Methoden für komplexere Auswertungssequenzen. Um zum Beispiel ein Eingangssignal mit verschiedenen DC-Offsets zu digitalisieren, importieren die Entwickler die Klasse Hammerhead aus dem Modul ADMX6001_MultiClass_pCal der Bibliothek und erstellen eine Instanz davon. Entwickler benötigen nur wenige Codezeilen, die die Methoden dieser Instanz verwenden, um die Fähigkeit des Boards ADMX6001-EBZ zur Erfassung von Abtastwerten bei verschiedenen DC-Offsets zu bewerten (Listing 1).

Kopieren
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(2**16) # 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(2**16) # 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')

Listing 1: Wie dieser Codeausschnitt aus der Bibliothek PyADI-IIO zeigt, benötigen Entwickler nur wenige Codezeilen, um die Fähigkeit des Boards ADMX6001-EBZ zur Erfassung von Abtastwerten bei verschiedenen DC-Offsets zu bewerten. (Code-Quelle: Analog Devices)

Die Darstellung der Daten, die von demselben Eingangssignal bei drei DC-Offset-Einstellungen (0 Millivolt (mV), 200 mV, -200 mV) erfasst wurden, zeigt, dass das Board ADMX6001-EBZ in der Lage ist, die Eingangsvorspannung anzupassen, um die Nutzung des dynamischen Bereichs des Highspeed-ADC zu optimieren (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die Aufzeichnung der Daten, die von demselben Eingangssignal bei drei DC-Offset-Einstellungen (0 mV, 200 mV, -200 mV) erfasst wurden, zeigt die Fähigkeit des Boards ADMX6001-EBZ, die Eingangsvorspannung anzupassen, um die Nutzung des dynamischen Bereichs des Highspeed-ADC zu optimieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Zusammen beschleunigen diese beiden Tools die Evaluierung und Entwicklung. Während die IIO-Oscilloscope-GUI eine schnelle, interaktive Möglichkeit bietet, verschiedene Registereinstellungen und Erfassungsoptionen zu überprüfen, ermöglicht die Bibliothek PyADI-IIO die Implementierung komplexerer Operationssequenzen.

Fazit

Instrumentierungsanwendungen, die eine genaue Digitalisierung von DC bis hin zu Multi-Gigahertz-Frequenzen erfordern, zwingen die Entwickler zu einem Kompromiss zwischen Breitbanderfassung und Präzision bei niedrigen Frequenzen. Das DC-gekoppelte 10GS/s-Digitalisierer-Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ von Analog Devices löst diesen Kompromiss durch eine Doppelpfad-Architektur. Zusammen mit einem FPGA-Entwicklungskit und Software-Tools bietet dieses Board eine Evaluierungsplattform und ein komplettes Referenzdesign, das die Entwicklung von Präzisions-Breitband-Digitalisierern für anspruchsvolle Anwendungen im Zeitbereich beschleunigt.

Referenzen:

1. Produkt-Demo-Video zum Evaluierungsboard ADMX6001-EBZ
2. HDL-Projekt (Referenzdesign) für das ADMX6001-EBZ