使用雙路徑 ADC 架構，達到低雜訊廣頻訊號擷取

飛行時間質譜儀 (TOF-MS)、分散式光纖感測、光學同調斷層掃描、高速示波器等時域儀器應用，需要準確擷取從 DC 到 GHz 頻率的訊號。傳統的高速數位化儀架構的類比數位轉換器 (ADC) 存在固有雜訊，此限制會在根本上影響測量準確度，迫使設計人員在精密度和廣頻擷取之間進行權衡。

本文簡要介紹時域儀器設計人員面臨的數位化挑戰。接著介紹 Analog Devices 的高效能數位化儀，並展示設計人員如何運用此板件及其開發資源成功進行實作。

廣頻數位化挑戰如何影響時域儀器

時域儀器應用都要求需在寬廣的頻寬內達到準確數位化。例如，在飛行時間質譜儀 (TOF-MS) 中 (圖 1)，數位化為樣品鑑定提供基礎。此時，樣品中的離子在真空的飛行管中加速，根據其質荷比的不同，達到不同的速度。每一群具有相同質荷比的離子，到達偵測器時會形成一個窄至數百 ps 的脈衝。

圖 1：在飛行時間質譜儀 (TOF-MS) 中，加速到相同動能的離子會根據質量以不同的速度移動，較輕的離子會先到達偵測器，因此可以根據飛行時間直接計算質量。(圖片來源：Analog Devices)

TOF-MS 憑藉其高效能類比數位轉換器子系統，將脈衝進行可靠的數位化並確定其峰值。此峰值代表每組離子的到達時間，進而代表該類型離子的質量。由於每個樣本對於決定該峰值都相當重要，因此類比數位轉換器子系統需要以每秒千兆採樣 (Gsamples/s) 率擷取足夠的樣本。

高速示波器和分散式光纖感測對精準、高頻寬訊號測量有類似的要求。高速示波器需要在準確擷取快速暫態訊號的同時，維持直流基線保真度。分散式光纖感測系統也要求在完整測量頻寬 (從接近 DC 到數 GHz) 內進行低雜訊的廣頻擷取。

這些應用和其他應用都面臨相同的挑戰，需確保寬廣頻寬和精準測量，即使在 1/f 雜訊會降低射頻類比數位轉換器效能的較低頻率中也需如此。這類類比數位轉換器雖然針對射頻訊號擷取進行最佳化，提供所需的頻寬，但在其低於 1/f 轉角頻率的低頻下會呈現較高的 1/f 雜訊 (圖 2)。

圖 2：類比數位轉換器固有的 1/f 雜訊在低於 1/f 轉角頻率時增加，限制測量準確度。(圖片來源：Analog Devices)

即使類比數位轉換器在 GHz 頻率下表現優良，頻率降低則雜訊會增加，導致低頻時的訊噪比 (SNR) 下降且量測不確定性增加。精密類比數位轉換器透過截波穩定、自動調零、相關雙採樣等架構功能降低 1/f 雜訊，優先考量低頻準確度而不是廣頻效能，因此限制在 GHz 頻寬下的使用。

要解決這一根本性的權衡，需採用 Analog Devices 在 ADMX6001-EBZ 評估板的新穎雙路徑類比數位轉換器架構。

ADMX6001 雙路徑架構如何達到廣頻精密度

ADMX6001-EBZ 評估板是直流耦合、10 Gsamples/s 數位化儀，並具備針對客製化低雜訊、高頻寬精密數位化儀的完整公版設計。透過雙路徑架構解決頻寬與精密度之間的權衡問題；此架構包括一條針對廣頻擷取最佳化的高速類比數位轉換器路徑，以及一條針對低頻準確度最佳化的精密類比數位轉換器路徑。藉由結合這兩條路徑的數據，此板件可以補償高速類比數位轉換器中的 1/f 雜訊，從 DC 到 5 GHz 保持準確的訊號數位化。

高速路徑的核心採用 Analog Devices 的 AD9213 12 位元射頻類比數位轉換器 (圖 3)，能達到 10 Gsamples/s 的取樣率。AD9213 的設計提供寬廣瞬時頻寬和低轉換錯誤率，基於多級、差動、管線式類比數位轉換器核心，並具有輸出誤差校正功能。其輸出級整合一個 16 通道 JESD204B 介面，可確保達到最大頻寬和確定性輸出延遲。輸出級除了提供 16 Gbits/s 的線路傳輸率之外，還採用標準 JESD204B 機制維持 AD9213 輸出與主機控制器的 JESD204B 輸入之間的確定性延遲。

圖 3：AD9213 整合一個多級、差動、管線式類比數位轉換器核心，具有輸出誤差校正功能和一個 16 通道 JESD204B 介面，支援高達 16 Gbit/s 的線路傳輸率。(圖片來源：Analog Devices)

此類比數位轉換器可提供高動態效能，符合精準高頻訊號擷取的需求。在 1000 MHz 輸入頻率下，取樣率為 10 Gsamples/s，相對於滿量程 (dBFS) 為 -1 dB 時，AD9213 的訊噪比為 55.8 dBFS，無雜散動態範圍為 70 dBFS (典型值)。此外，此元件在 100 MHz 到 6 GHz 以上的輸入頻率內保持優異的訊噪比和無雜散動態範圍 (圖 4)，滿足廣頻準確度的要求。

圖 4：AD9213 在 100 MHz 至 6 GHz 以上的輸入頻率範圍內均保持高訊噪比和無雜散動態範圍效能，為時域儀器提供所需的廣頻擷取能力。(圖片來源：Analog Devices)

此精密路徑採用 Analog Devices 的 AD4080，這是一款 20 位元、40 Msamples/s 差動連續漸近暫存器 (SAR) 類比數位轉換器，整合事件偵測、數位濾波器、雙輸入取樣器，確保在高取樣率下達到精準轉換。其輸出級可直接存取轉換結果，並可透過支援序列周邊介面 (SPI) 與低電壓差動訊號 (LVDS) 輸出的介面，存取一個 16,384 樣本的先進先出 (FIFO) 緩衝器。AD4080 與 AD9213 一樣，提供整合式功能，用於協助確保與主機控制器搭配，並考量系統傳播延遲。AD9213 提供所需的頻寬，而 AD4080 提供所需的低頻精密度。在 1 kHz 時，AD4080 可達到 93.6 dB 的訊噪比和 -110.2 dB 的總諧波失真 (THD)(圖 5)。

圖 5：在 1 kHz 頻率下，AD4080 的訊噪比為 93.6 dB，總諧波失真為 -110.2 dB，展現其低頻精密度，與 AD9213 的廣頻擷取能力相得益彰。(圖片來源：Analog Devices)

ADMX6001-EBZ 板件滿足時域儀器在處理不同直流位準時針對單端、單極性、雙極性輸入訊號的需求。除了用於單端到差動轉換的高速類比數位轉換器驅動器之外，亦包含一個精密數位類比轉換器 (DAC)，對類比數位轉換器驅動器進行偏移，以提供可調整的直流偏移，大幅提高高速 AD9213 的動態範圍。這種能力在飛行時間質譜儀等應用中非常重要，因為適當的直流偏移調整可確保類比數位轉換器的全部動態範圍可用於脈衝離子訊號。

使用配套板件和軟體，加速評估和開發

Analog Devices 的 ADMX6001-EBZ 評估板可與 AMD/Xilinx 的 VCU118 (EK-U1-VCU118-G) 評估套件搭配使用 (圖 6)。此套件基於高效能現場可編程閘極陣列 (FPGA)，提供獲取和合併雙路徑資料流所需的資源和處理能力。針對一般數位化操作，ADMX6001-EBZ 板透過增強型高傳輸量 FPGA 夾層卡 (FMC+) 高序列引腳連接器 (HSPC) 連接到 VCU118，並使用小型桌上型風扇輔助持續作業。

圖 6：ADMX6001-EBZ 評估板透過高傳輸量 FMC+ HSPC 連接器連接到 VCU118 套件，提供一個完整的硬體平台，用於評估雙路徑數位化效能。(圖片來源：Analog Devices)

VCU118 的 FPGA 矩陣中的智慧財產 (IP) 核心和記憶體區塊，實作獨立的高速 JESD204B 和 LVDS 介面，接收來自高速 AD9213 和精密 AD4080 的雙資料流。這兩個資料流會先饋入 FPGA 記憶體緩衝區，再傳送到系統記憶體，進行後續的合併和應用特定處理。

Analog Devices 提供其 IIO Oscilloscope 圖形使用者介面 (GUI) 工具及其全面的 PyADI-IIO Python 函式庫，用以評估 ADMX6001-EBZ 板和訊號數位化。IIO Oscilloscope 工具是一款跨平台的圖形使用者介面，能以互動方式修改板件設定、擷取資料、繪製結果。例如，要啟用 AD9213 的直流耦合模式，設計人員可以使用 IIO Oscilloscope 工具面板 (圖 7) 指定元件 (本例中為 AD9213)、想要的暫存器 (此處為 0x1617) 及其值 (0x1)。

圖 7：IIO Oscilloscope GUI 提供直接暫存器存取功能，可設定類比數位轉換器作業模式。圖中所示為透過向暫存器 0x1617 寫入 0x1 啟用 AD9213 的直流耦合模式。(圖片來源：Analog Devices)

PyADI-IIO 函式庫提供用於控制板件功能的應用程式開發介面 (API)，以 Hammerhead (一個 Python 類別) 為中心建置。此類別將板級初始化為預設設定，並提供多種方法抽象化底層操作，用於設定偏移、從每個類比數位轉換器擷取資料，以及繪製結果。

範例程式碼 (如 PyADI-IIO 函式庫的 ADMX6001_acquisition.py 腳本) 展示使用這些方法進行更複雜評估序列的基本設計模式。例如，若要在不同的直流偏移下對輸入訊號進行數位化，設計人員從函式庫的 ADMX6001_MultiClass_pCal 模組匯入 Hammerhead 類別，並建立一個實例。設計人員只需使用此實例方法的幾行程式碼，即可評估 ADMX6001-EBZ 板在不同直流偏移下擷取樣本的能力 (清單 1)。

複製
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')

清單 1：如 PyADI-IIO 函式庫的這段程式碼片段所示，設計人員只需要幾行程式碼即可評估 ADMX6001-EBZ 板在不同直流偏移下擷取樣本的能力。 (程式碼來源：Analog Devices)

繪製在三個直流偏移設定下 (0 mV、200 mV、-200 mV)，從相同的輸入訊號中擷取的數據，顯示 ADMX6001-EBZ 板能夠調整輸入偏壓，讓高速類比數位轉換器動態範圍達到最佳運用 (圖 8)。

圖 8：繪製在三種直流偏移設定下 (0 mV、200 mV、-200 mV) 從同一輸入訊號擷取的數據，顯示 ADMX6001-EBZ 板能夠調整輸入偏壓，讓高速類比數位轉換器動態範圍達到最佳運用。(圖片來源：Analog Devices)

結合這兩個工具，便可加快評估和開發速度。IIO Oscilloscope GUI 提供一種快速、互動的方法來驗證不同的暫存器設定和擷取選項，PyADI-IIO 函式庫則能實作更複雜的操作序列。

結論

儀器應用需要從 DC 到多 GHz 頻率進行精準數位化，迫使設計人員必須在廣頻擷取和低頻精密度之間進行權衡。Analog Devices 的 ADMX6001-EBZ 直流耦合 10 GSPS 數位化儀評估板透過雙路徑架構解決此問題。此板件搭配 FPGA 開發套件和軟體工具，是一個評估平台和完整的公版設計，可加速開發精密廣頻數位化儀，符合時域應用的嚴格要求。

參考資料：

1. ADMX6001-EBC 產品展示影片
2. ADMX6001-EBZ HDL 專案 (公版設計)