使用數位預失真，打造接近完美的精密訊號產生器

使用全類比電路建立高精密標準波形 (如正弦波和任意波形) 一直是一大挑戰，因為必須識別並克服許多細微且無法避免的錯誤來源。若將數位預失真 (DPD) 納入設計，並且結合輸出驅動回饋，能明顯提高效能表現。

精密度是經常被引用和要求的系統和效能指標。在測試和量測領域中，可以指絕對準確度、優異的一致性、高線性度、高解析度、整體波形純度、低失真以及最低雜訊和偽影。

設計人員有混合一些策略，可以達到所需的精密度。這些策略包括：

• 選擇具有更高準確度和更低溫度漂移係數的組件，甚至在使用前對其進行老化，以消除缺陷和漂移傾向。通常採用電壓參考，其單一高準確度、低漂移零件可以大幅增進系統效能。
• 使用可自我消除誤差來源的電路拓撲，例如比例式配置。亦即使用經典的惠司同電橋或含配對電阻的差動放大器，位於共用基板上，提供匹配的溫度相關漂移優勢。
• 實作補償機制，即採用溫度相同但漂移相反的組件抵消變化。
• 依循實體佈局的最佳實務，包括大型接地平面、電流管理、避免局部熱差，以及識別和消除由於材料 (如銅印刷電路板軌道和鍍錫元件引線) 不匹配導致的非預期熱電偶。
• 針對已知標準，對系統進行單次校準，然後使用類比元件 (如微調電位器) 或更常見的數位儲存校正因子調整電路。

DPD 是一種更為精細的方法，通常由高速資料鏈路的設計人員採用。此技術不會試圖改善鏈路通道，這種方式通常不切實際或無法控制，而是會描述通道失真的特性。接著建立一個具有反向失真波形的位元波形，讓此預失真波形和通道失真相互抵消。可降低位元錯誤率 (BER) 並支援更高的數據傳輸率。在最先進的實作中，預失真設定非靜態，而是會即時動態調整，適應通道狀態的變化。

預失真為類比波形提供精密度

DPD 不僅適用於高速數位訊號，也可用於改善類比函數產生器的波形。Analog Devices 的 ADMX1002B 是超低失真、低雜訊、數位控制任意波形產生器 (AWG)，可展示這項功能 (圖 1)。請注意，ADMX1001B 與 ADMX1002B 大致相同，但增加差動類比輸入訊號擷取通道；後文會詳細介紹此型號。EVAL-ADMX100X-FMCZ 評估套件支援兩者。

圖 1：ADMX1002B (左) 是高精密度正弦和任意波形產生器；ADMX1001B (右) 類似，但增加一個資料擷取通道，以板件形式插入 ADMX1002B 上的連接器 (圖片來源：Analog Devices)

ADMX1002B 利用 DPD 演算法，運用專利方法感測並校正其輸出，提供同級產品中最高純度的差動正弦訊號 (圖 2)。

圖 2：ADMX1002B 納入 DPD 演算法，可感測和校正自身輸出，以達到最高精密度；ADMX1001B 增加資料擷取電路，如方塊圖的底部和右下方所示 (圖片來源：Analog Devices)

未使用 DPD 演算法時，此單元提供 30 Hz 至 40 kHz 的輸出。調用 DPD 時，輸出則高達 20 kHz。提供 PC 基礎圖形使用者介面 (GUI)，由 USB 連接至系統展示平台 (SDP) 控制器板。

在新的正弦波頻率或振幅載入到暫存器時，預設模式為非 DPD；這是任意波形產生的初始操作模式。ADMX1002 模組憑藉其架構，即使在非 DPD 模式下，其效能也超過元件的固有效能。

可由軟體或硬體啟用 DPD 演算法。此流程無須外部參考輸入，並利用專利差動時間和振幅感測方法。

此演算法需將感測輸入連接到 ADMX1001 的輸出，以便在處理器常式中使用，產生超高純度的正弦波形。啟用 DPD 後，1 kHz 的總諧波失真 (THD) 典型值極低，為 -130 dB (振幅高達 3.62 Vrms)，並且到 20 kHz 時僅降低幾分貝 (圖 3)。

圖 3：頻率與 THD 的關係圖，清楚顯示加入 DPD 後 THD 的改善 (圖片來源：Analog Devices)

DPD 也大幅提高正弦波形的純度，如採用 DPD 前後 1 kHz 的快速傅立葉變換 (FFT) 所示，其輸出均為 2 Vrms (圖 4)。

圖 4：調用 DPD 後，藉由衰減基頻的奇諧波和偶諧波，大幅提升正弦波純度。圖為 DPD 調用前 (左) 後 (右) 進行的測量結果 (圖片來源：Analog Devices)

超越單一正弦波輸出

ADMX1002B 還可以在突發或連續模式下產生 30 Hz 至 20 kHz 的雙音正弦波。此波形頻率能以 1 µHz 解析度的高精密度進行編程，振幅能以 1 µV 解析度進行編程。

此外，此單元還可以用做使用者編程的 AWG。其 AWG 訊號可編程，最長 20 秒，並儲存於揮發性記憶體中。透過回送儲存的波形，可連續生成 AWG。ADMX1002 的輸出包含一個 27 kHz 低通濾波器，可在此頻帶內產生 AWG 波形。

也提供直流輸出。ADMX1002 可在正負輸出連接 V_p 和 V_n 之間產生高達 11.3 VDC 的差動直流輸出訊號。此輸出位準可以依 1 µV 的精密步長進行調整。

接受類比輸入

如上所述，Analog Devices 亦提供 ADMX1001，這是 ADMX1002 的超集合，除了具備後者的所有功能、特點、效能，還增加了類比輸入能力。此高度整合的數據採集解決方案提供七種可編程增益設定，最大差動輸入範圍為±7.5 V，最大輸入共模範圍為 ±7 V。4 階積分抗交疊濾波器提供高達 -130 dB 的拒斥能力，在滿量程 1 kHz 輸入音調量測時，採集通道的總動態範圍高達 128 dB，THD 為 -115 dB (典型值)。

結論

DPD 可精確產生類比訊號，例如單音和雙音正弦波，以及使用者定義的任意波形。產生的波形，由 THD 和 FFT 等標準參數測量，顯示在音訊頻帶 130 dB 範圍內的效能。ADMX1001 中增加的數據採集能力，為設計添加多功能性。

相關內容

《ADMX1001 和 ADMX1002 超低失真、低雜訊訊號產生器和採集評估模組使用指南》

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/admx/admx100x

ADMX1001/ADMX1002 超低失真正弦波和高解析度任意波形產生器 + 採集模組 (影片)

https://www.analog.com/en/resources/media-center/videos/6355673963112.html

《適用於 ADC 和音訊測試，含新穎數位預失真的高效能訊號源》

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/high-performance-source-for-adc.html