Utilice una arquitectura ADC de doble ruta para captar señales de banda ancha con bajo ruido

Las aplicaciones de instrumentación en el dominio del tiempo, como la espectrometría de masas por tiempo de vuelo (TOF-MS), la detección distribuida por fibra óptica, la tomografía de coherencia óptica y los osciloscopios de alta velocidad, requieren una captura precisa de la señal desde las frecuencias de corriente continua (CC) hasta las de varios gigahercios (GHz). Las arquitecturas convencionales de digitalizadores de alta velocidad se enfrentan a una limitación fundamental en la precisión de las mediciones debido al ruido inherente a los convertidores analógico-digitales (ADC), lo que obliga a los diseñadores a transigir entre la precisión y la captura de banda ancha.

Este artículo ofrece una breve introducción a los desafíos de digitalización a los que se enfrentan los diseñadores de instrumentación en el dominio del tiempo. A continuación, presenta un digitalizador de alto rendimiento de Analog Devices y muestra cómo los diseñadores pueden utilizar esta placa y sus recursos de desarrollo para una implementación satisfactoria.

Cómo afectan los desafíos de la digitalización de banda ancha a la instrumentación en el dominio del tiempo

Las aplicaciones de instrumentación en el dominio del tiempo comparten un requisito común de digitalización de precisión en un amplio ancho de banda. En la TOF-MS, por ejemplo (figura 1), la digitalización proporciona la base para la identificación de las muestras. Aquí, los iones de una muestra se aceleran a través del vacío mantenido en el tubo de vuelo, donde alcanzan diferentes velocidades en función de su relación masa-carga. Cada grupo de iones con la misma relación masa-carga llega al detector como un pulso tan estrecho como unos cientos de picosegundos (ps).

Figura 1: En la TOF-MS, los iones acelerados a la misma energía cinética viajan a velocidades diferentes en función de la masa, y los iones más ligeros llegan primero al detector, lo que permite calcular la masa directamente a partir del tiempo de vuelo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La TOF-MS se basa en su subsistema ADC de alto rendimiento para digitalizar de forma fiable el pulso y determinar su pico, que representa el tiempo de llegada de cada grupo de iones y, por tanto, la masa de ese tipo de iones. Dado que cada muestra es crítica para determinar este pico, el subsistema ADC necesita ofrecer tasas de gigamuestras por segundo (Gsamples/s) para capturar suficientes muestras.

Los osciloscopios de alta velocidad y la detección distribuida por fibra óptica se enfrentan a demandas similares de medición de señales precisas y de gran ancho de banda. Los osciloscopios de alta velocidad requieren la captura precisa de transitorios rápidos manteniendo al mismo tiempo la fidelidad de la línea de base de CC. Los sistemas distribuidos de detección por fibra óptica comparten la necesidad de una captura de banda ancha con bajo ruido en todo el ancho de banda de medición, desde cerca de CC hasta varios gigahercios.

El desafío en estas y otras aplicaciones es garantizar tanto un amplio ancho de banda como una medición precisa, incluso a frecuencias más bajas en las que el ruido 1/f degrada el rendimiento de los ADC de radiofrecuencia (RF). Al estar optimizada para la captura de señales de RF, esta clase de ADC ofrece el ancho de banda necesario, pero presenta un ruido 1/f elevado a bajas frecuencias por debajo de su frecuencia de esquina 1/f (figura 2).

Figura 2: El ruido 1/f inherente a los ADC aumenta a frecuencias por debajo de la esquina 1/f, lo que limita la precisión de las mediciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ruido aumenta a medida que disminuye la frecuencia, lo que provoca una degradación de la relación señal/ruido (SNR) y un aumento de la incertidumbre de medición a bajas frecuencias, incluso cuando el ADC funciona bien a frecuencias de gigahercios. Los ADC de precisión minimizan el ruido 1/f mediante características arquitectónicas como la estabilización del chopper, la puesta a cero automática y el muestreo doble correlacionado, que priorizan la precisión de baja frecuencia sobre el rendimiento de banda ancha, lo que impide su uso en anchos de banda de GHz.

Abordar este compromiso fundamental requiere la novedosa arquitectura ADC de doble ruta utilizada en la placa de evaluación ADMX6001-EBZ de Analog Devices.

Cómo la arquitectura de doble vía del ADMX6001 consigue una precisión de banda ancha

La tarjeta de evaluación ADMX6001-EBZ es un digitalizador acoplado a CC de 10 Gsamples/s y un diseño de referencia completo para digitalizadores de precisión personalizados de bajo ruido y gran ancho de banda. Resuelve el compromiso entre ancho de banda y precisión mediante una arquitectura de doble ruta que comprende una ruta ADC de alta velocidad optimizada para la captura de banda ancha y una ruta ADC de precisión optimizada para la exactitud de baja frecuencia. Al combinar los datos de estas dos rutas, la placa compensa el ruido 1/f de los ADC de alta velocidad, manteniendo una digitalización precisa de la señal desde CC hasta 5 GHz.

La ruta de alta velocidad se centra en el ADC de RF de 12 bits AD9213 de Analog Devices (figura 3), que puede muestrear a 10 Gsamples/s. Diseñado para ofrecer un amplio ancho de banda instantáneo y bajas tasas de error de conversión, el AD9213 se basa en un núcleo ADC multietapa, diferencial y canalizado con corrección de errores de salida. Para garantizar un ancho de banda máximo y una latencia de salida determinista, su etapa de salida integra una interfaz JESD204B de 16 líneas. Además de proporcionar velocidades de línea de 16 gigabits por segundo (Gbits/s), la etapa de salida emplea mecanismos JESD204B estándar para mantener una latencia determinista entre la salida del AD9213 y la entrada JESD204B de un controlador host.

Figura 3: El AD9213 integra un núcleo ADC multietapa, diferencial y canalizado con corrección de errores de salida y una interfaz JESD204B de 16 líneas que admite velocidades de línea de hasta 16 Gbits/s. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este ADC ofrece el alto rendimiento dinámico necesario para la captura precisa de señales de alta frecuencia. A 10 Gsamples/s con una entrada de 1000 MHz a -1 decibelios respecto al fondo de escala (dBFS), el AD9213 exhibe una SNR de 55.8 dBFS y un rango dinámico libre de espurias (SFDR) de 70 dBFS (típico). Además, este dispositivo mantiene una SNR y una SFDR excelentes en todas las frecuencias de entrada, desde 100 MHz hasta más allá de 6 GHz (figura 4), lo que satisface la demanda de precisión en banda ancha.

Figura 4: El AD9213 mantiene un alto rendimiento de SNR y SFDR a través de frecuencias de entrada desde 100 MHz hasta más allá de 6 GHz, proporcionando la capacidad de captura de banda ancha necesaria para la instrumentación en el dominio del tiempo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La ruta de precisión utiliza el AD4080 de Analog Devices, un ADC diferencial de registro de aproximación sucesiva (SAR) de 20 bits y 40 megamuestras por segundo (Msamples/s) con detección de eventos integrada, un filtro digital y un muestreador de doble entrada para garantizar la conversión de precisión a altas velocidades de muestreo. Su etapa de salida proporciona acceso directo a los resultados de la conversión y a un FIFO (primero en entrar, primero en salir) de 16,384 muestras a través de una interfaz que admite tanto la interfaz periférica serial (SPI) como la salida de señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS). Al igual que el AD9213, el AD4080 proporciona funciones integradas diseñadas para ayudar a garantizar la alineación con el controlador host y tener en cuenta los retardos de propagación del sistema. Donde el AD9213 proporciona el ancho de banda necesario, el AD4080 ofrece la precisión de baja frecuencia requerida. A 1 kilohercio (kHz), el AD4080 alcanza una SNR de 93.6 dB y una distorsión armónica total (THD) de -110.2 dB (figura 5).

Figura 5: A 1 kHz, el AD4080 alcanza una SNR de 93.6 dB y una THD de -110.2 dB, lo que demuestra la precisión en bajas frecuencias que complementa la captura de banda ancha del AD9213. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La placa ADMX6001-EBZ responde a la necesidad, en los instrumentos de dominio temporal, de manejar señales de entrada monopolar, unipolar o bipolar a distintos niveles de CC. Junto con un controlador ADC de alta velocidad para la conversión de terminal único a diferencial, un convertidor digital-analógico (DAC) de precisión polariza el controlador ADC para proporcionar una desviación de CC ajustable, maximizando el rango dinámico del AD9213 de alta velocidad. Esta capacidad es esencial en aplicaciones como TOF-MS, en las que un ajuste adecuado de la desviación de CC garantiza la disponibilidad de todo el rango dinámico del ADC para las señales de iones pulsados.

Acelerar la evaluación y el desarrollo con una placa complementaria y software

Analog Devices ha diseñado la placa de evaluación ADMX6001-EBZ para que funcione con el kit de evaluación VCU118 de AMD/Xilinx (EK-U1-VCU118-G) (figura 6). Basado en una matriz de puertas programables en campo (FPGA) de alto rendimiento, el kit proporciona los recursos y la capacidad de procesamiento necesarios para adquirir y combinar los flujos de datos de doble ruta. Para las operaciones normales de digitalización, la placa ADMX6001-EBZ se conecta a la VCU118 a través de un conector de pines de alta serie (HSPC) de la placa mezzanine FPGA mejorada de alto rendimiento (FMC+), utilizando un pequeño ventilador de sobremesa para un funcionamiento sostenido.

Figura 6: La tarjeta de evaluación ADMX6001-EBZ se conecta al kit VCU118 a través de un conector FMC+ HSPC de alto rendimiento, proporcionando una plataforma de hardware completa para evaluar el rendimiento de la digitalización de doble ruta. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los núcleos de propiedad intelectual (IP) y los bloques de memoria instanciados en la matriz FPGA del VCU118 implementan las interfaces JESD204B de alta velocidad y LVDS independientes necesarias para recibir los flujos de datos duales del AD9213 de alta velocidad y del AD4080 de precisión. Ambos flujos de datos se introducen en los búferes de memoria de la FPGA antes de ser transferidos a la memoria del sistema para su posterior fusión y procesamiento específico de la aplicación.

Para evaluar la placa ADMX6001-EBZ y la digitalización de señales, Analog Devices proporciona su herramienta de interfaz gráfica de usuario (GUI) IIO Oscilloscope y su completa biblioteca PyADI-IIO Python. La herramienta IIO Oscilloscope es una interfaz gráfica de usuario multiplataforma para modificar interactivamente los ajustes de la placa, capturar datos y trazar los resultados. Por ejemplo, para activar el modo acoplado de CC del AD9213, los diseñadores utilizarían un panel de herramientas del IIO Oscilloscope (figura 7) para especificar el dispositivo (AD9213 en este caso), el registro de interés (0x1617 aquí) y su valor (0x1).

Figura 7: La GUI del IIO Oscilloscope proporciona acceso directo a los registros para configurar los modos de funcionamiento del ADC, aquí se muestra habilitando el modo acoplado de CC del AD9213 escribiendo 0x1 en el registro 0x1617. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La biblioteca PyADI-IIO proporciona una interfaz de programación de aplicaciones (API) para la funcionalidad de la placa, construida en torno a una clase Python (Hammerhead) que inicializa la placa con la configuración predeterminada y proporciona métodos que abstraen las operaciones de bajo nivel para establecer la desviación, capturar datos de cada ADC y trazar los resultados.

El código de ejemplo, como el script ADMX6001_acquisition.py de la biblioteca PyADI-IIO, demuestra patrones de diseño básicos para utilizar estos métodos en secuencias de evaluación más complejas. Por ejemplo, para digitalizar una señal de entrada con diferentes desplazamientos de CC, los diseñadores importan la clase Hammerhead del módulo ADMX6001_MultiClass_pCal de la biblioteca y crean una instancia de la misma. Los diseñadores sólo necesitan unas pocas líneas de código, utilizando los métodos de esa instancia, para evaluar la capacidad de la tarjeta ADMX6001-EBZ para capturar muestras con diferentes desplazamientos de CC (Listado 1).

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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')

Listado 1: Tal como lo indica este fragmento de código de la biblioteca PyADI-IIO, los diseñadores sólo necesitan unas pocas líneas de código para evaluar la capacidad de la placa ADMX6001-EBZ para capturar muestras con diferentes desplazamientos de CC. (Fuente del código: Analog Devices)

El trazado de los datos capturados a partir de la misma señal de entrada con tres ajustes de desplazamiento de CC (0 milivoltios (mV), 200 mV, -200 mV) demuestra la capacidad de la placa ADMX6001-EBZ para ajustar el sesgo de entrada con el fin de optimizar la utilización del rango dinámico del ADC de alta velocidad (figura 8).

Figura 8: El trazado de los datos capturados a partir de la misma señal de entrada con tres ajustes de desviación de CC (0 mV, 200 mV, -200 mV) demuestra la capacidad de la tarjeta ADMX6001-EBZ de ajustar la desviación de entrada para optimizar la utilización del rango dinámico del ADC de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Juntas, estas dos herramientas aceleran la evaluación y el desarrollo. Mientras que la interfaz gráfica de usuario del IIO Oscilloscope proporciona una forma rápida e interactiva de verificar diferentes configuraciones de registros y opciones de captura, la biblioteca PyADI-IIO permite la implementación de secuencias de operaciones más complejas.

Conclusión

Las aplicaciones de instrumentación que requieren una digitalización precisa desde CC hasta frecuencias de varios gigahercios obligan a los diseñadores a transigir entre la captura de banda ancha y la precisión en baja frecuencia. La placa de evaluación del digitalizador ADMX6001-EBZ de 10 GSPS con acoplamiento de CC de Analog Devices resuelve esta disyuntiva mediante una arquitectura de doble ruta. Junto con un kit de desarrollo FPGA y herramientas de software, esta placa proporciona una plataforma de evaluación y un diseño de referencia completo que acelera el desarrollo de digitalizadores de banda ancha de precisión para aplicaciones exigentes en el dominio del tiempo.

Referencias:

1. Vídeo de demostración del producto ADMX6001-EBC
2. Proyecto ADMX6001-EBZ HDL (diseño de referencia)