作者： Srudeep Patil，Carmelo Morello

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，然后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器的分析，從而析取有用的信息。成像、音頻以及振動(dòng)分析等有些應(yīng)用要求DAS具有高信噪比（SNR）和超低總諧波失真（THD）。

開發(fā)寬動(dòng)態(tài)范圍DAS帶來眾多設(shè)計(jì)和測(cè)試挑戰(zhàn)。主要的測(cè)試挑戰(zhàn)是缺乏具有較好THD和SNR的信號(hào)源。當(dāng)DAS的額定值為100dB SNR和-120dB THD時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的THD和SNR就成為關(guān)鍵因素。

本文介紹數(shù)字預(yù)失真如何改善數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的失真性能，從而支持測(cè)量THD為-120dB的超低失真DAS。

為什么要改進(jìn)信號(hào)源失真？

為了對(duì)DAS的THD進(jìn)行特征分析，應(yīng)將無失真的理想正弦波連接到系統(tǒng)輸入。此時(shí)，在DAS的輸出測(cè)量DAS非線性引起的THD。

為保證在輸出測(cè)得的THD是由DAS非線性造成的，所用信號(hào)發(fā)生器的失真與被測(cè)DAS相比應(yīng)能夠忽略不計(jì)。然而，大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器的性能往往不足以測(cè)量THD優(yōu)于-120dB的超低失真DAS。所以，為了評(píng)估以及保證DAS測(cè)量質(zhì)量，我們需要改進(jìn)信號(hào)發(fā)生器的失真性能。

DAS及測(cè)量配置

DAS的主要信號(hào)通路設(shè)計(jì)采用低失真和低噪聲器件。實(shí)驗(yàn)采用MAX11905DIFEVKIT寬動(dòng)態(tài)和超低失真DAS。MAX11905DIFEVKIT DAS有三個(gè)主要器件：

●MAX44205：全差分放大器，180MHz增益帶寬積，3nVRMS噪聲

●MAX11905：全差分SAR ADC，20位，1.6MSPS，低功耗

●MAX6126：超高精度、超低噪聲串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)

表1所示為所用信號(hào)鏈器件的噪聲和失真性能。

表1：DAS信號(hào)鏈中所用器件的性能

測(cè)試DAS動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試配置如圖1所示。低失真信號(hào)發(fā)生器為Audio Precision （AP） 2722。

圖1：測(cè)量DAS動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試配置。

Audio Precision 2722用于產(chǎn)生全差分10kHz正弦波信號(hào)，施加到增益為1V/V 的MAX44205驅(qū)動(dòng)器。MAX11905 ADC工作在全差分模式，VREF= 3V，由MAX6126電壓基準(zhǔn)提供。信號(hào)分析儀和ADC同步至相同的時(shí)鐘發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)相干采樣測(cè)量。

利用傳統(tǒng)方法測(cè)量DAS性能

圖2所示為利用圖1中測(cè)試配置測(cè)得的DAS動(dòng)態(tài)性能結(jié)果。ADC的采樣率為1.6MSPS。

圖2：在MAX11905DIFFEVKIT上、采樣率為1.6MSPS時(shí)測(cè)得的DAS系統(tǒng)的原始FFT和動(dòng)態(tài)性能。

97.3dB SNR相對(duì)較好，但輸出處的諧波高于DAS的期望值。如我們后文所說，受信號(hào)發(fā)生器的失真所限，THD測(cè)量值為-112dB。

利用數(shù)字預(yù)失真（DPD）改善失真

應(yīng)用數(shù)字修正技術(shù)，以改善數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的失真或THD。向數(shù)字信號(hào)中增加諧波以消除或降低數(shù)/模轉(zhuǎn)換器引起的諧波的過程稱為數(shù)字預(yù)失真或數(shù)字線性化。圖3所示為典型數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的主要電路方框圖。

圖3：數(shù)字信號(hào)發(fā)生器方框圖。

系統(tǒng)操作有以下幾點(diǎn)說明：

●數(shù)字波形部分儲(chǔ)存波形的數(shù)字采樣

●DAC部分將數(shù)字采樣轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬值

●緩沖器部分提供必要的功率和輸出阻抗，作為被測(cè)設(shè)備（DUT）激勵(lì)

●數(shù)字預(yù)失真部分提供預(yù)失真波形

用來激勵(lì)DUT的信號(hào)為正弦波。信號(hào)發(fā)生器利用數(shù)字采樣產(chǎn)生正弦波。

式1表示連接到DAC來產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)的正弦波數(shù)字采樣。式1、2、3、4和5的顏色分別對(duì)應(yīng)圖3中的相應(yīng)方框。

式中：

yd方程式表示數(shù)字信號(hào)

A1為基波信號(hào)的幅值

ω1 = 2 × pi × f1

f1為正弦波基頻

t為采樣周期

φ_1為基波信號(hào)的相位

式2表示信號(hào)發(fā)生器的模擬輸出。式2中的紅色項(xiàng)表示DAC和緩沖器（圖3中的紅色部分）引起的2次和3次諧波。

式中：

A2和A3分別為2次和3次諧波的幅值

φ_2 和φ_3分別為2次和3次諧波的相位

圖3中，以藍(lán)色表示的數(shù)字預(yù)失真部分增加幅值相當(dāng)?shù)珮O性相反的諧波，以消除發(fā)生器輸出的諧波。式3表示經(jīng)過數(shù)字預(yù)失真后的波形。

其中yd_DPD為應(yīng)用預(yù)失真后的數(shù)字波形。

式3產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)用到DAC（見圖3）。因此，發(fā)生器輸出的新波形為：

其中ya_DPD為具有數(shù)字預(yù)失真的模擬輸出波形。

2次和3次諧波中幅值相當(dāng)、極性相反的部分彼此抵消，因此形成式5：

選擇2次和3次諧波來產(chǎn)生數(shù)字預(yù)失真波形的過程是一種迭代法，在下文中詳述。

實(shí)施數(shù)字預(yù)失真 

本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器（AP2722）工作在兩種模式下：

1.正弦波（D/A）模式

2.任意波（D/A）模式

正弦波（D/A）模式用于圖2和8所示的測(cè)量，任意波（D/A）模式用于圖5、6和7所示的測(cè)量。

在圖2所示的測(cè)量中，信號(hào)發(fā)生器提供10kHz正弦波，用于評(píng)估DAS性能。為實(shí)施數(shù)字預(yù)失真，我們使用信號(hào)發(fā)生器的任意波模式（見圖3）。我們使用MATLAB程序產(chǎn)生10kHz正弦波的數(shù)字采樣，形成.wav格式文件?，F(xiàn)在，可將這些數(shù)字采樣裝載到信號(hào)發(fā)生器，然后利用集成DAC將其轉(zhuǎn)換為10kHz模擬正弦波。本測(cè)試中使用的信號(hào)發(fā)生器具有內(nèi)部緩沖器，最大容量可儲(chǔ)存16，384個(gè)數(shù)字采樣。

展示數(shù)字預(yù)失真的實(shí)驗(yàn)

采用圖4所示的配置，利用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生10kHz正弦波。頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)發(fā)生器的失真。10kHz陷波濾波器對(duì)基波信號(hào)進(jìn)行衰減，以減小頻譜分析儀的失真。

圖4：消除諧波的測(cè)試配置。

圖5所示為陷波濾波器之后的正弦波頻譜，無數(shù)字預(yù)失真。10kHz處的基波為-23dBV；2次諧波為-112dBV，3次諧波為-117dBV。

圖5：修正諧波之前的性能。

圖6所示為陷波濾波器之后、對(duì)裝載至信號(hào)發(fā)生器的內(nèi)部緩沖器的數(shù)字采樣進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真的測(cè)試結(jié)果。

圖6：數(shù)字修正之后的性能。

經(jīng)過數(shù)字預(yù)失真后，2次諧波從-112dBV降低至-123dBV，3次諧波從-117dBV降低至-124dBV。2次和3次諧波的降低有助于改善總THD。

需要謹(jǐn)慎實(shí)施數(shù)字預(yù)失真，每次降低一種諧波分量。按照式3，將所有與3次諧波相關(guān)的參數(shù)設(shè)置為0，降低2次諧波。從圖5可知，F(xiàn)FT中的2次諧波大約為-112dB，相當(dāng)于2.5μV。在-2.5μV至+2.5μV之間迭代選擇A2的值，驗(yàn)證哪種幅值有助于降低2次諧波。經(jīng)過幾次迭代，A2 = -1.5μV可降低2次諧波。也利用φ_2進(jìn)一步降低諧波。采用A2 = -1.5μV，以及φ_2 = -45°，產(chǎn)生消除2次諧波的最佳效果，如圖6所示。利用相同的迭代方法，A3 = -0.5μV與φ_3 = 45°相組合時(shí)，產(chǎn)生最佳效果，如圖6所示。

對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行DPD之后的DAS測(cè)量性能

圖7所示為消除2次和3次諧波之后DAS在1.6Msps時(shí)的性能。

圖7：任意波（D/A）模式下的FFT頻譜。

使用帶有數(shù)字預(yù)失真的任意波（D/A）模式，MAX11905DIFFEVKIT的動(dòng)態(tài)性能將DAS在1.6 MSPS時(shí)測(cè)得的THD改善了8dB，從-112dB降為-120dB。

任意波模式對(duì)SNR的限制

使用任意波（D/A）模式時(shí)的諧波通過數(shù)字預(yù)失真進(jìn)行抵消。然而，與使用正弦波（D/A）模式相比，在任意波（D/A）模式下觀察到SNR性能下降。

圖8所示為DAS在1.6Msps時(shí)的性能，使用信號(hào)發(fā)生器提供的正弦波（D/A）發(fā)生器模式。數(shù)據(jù)表明，與任意波模式相比，該模式下的信號(hào)發(fā)生器有2dB的SNR改善。

圖8：正弦波（D/A）模式下的FFT頻譜。

總結(jié)

本文介紹了可通過數(shù)字預(yù)失真技術(shù)改善數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的THD，從而支持對(duì)超低失真DAS進(jìn)行評(píng)估。文章也演示了如何利用陷波濾波器消除基頻，從而提高信號(hào)分析儀的線性度。測(cè)試結(jié)果證明，數(shù)字預(yù)失真將MAX11905DIFEVKIT的THD改善了8.2dB，從-112dB降低至-120.2dB。

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