Методы повышения производительности в системах АЦП с временным чередованием, при расширенной цифровой обработке.
Сформировавшаяся концепция временного чередования нескольких аналогово-цифровых преобразователей – мультиплексирование выводов (к примеру) пары преобразователей с удвоенной частотой дискретизации существовала еще с 1980 года. Тогда ее представили Блэк и Ходжес, при разработке 7-битного АЦП с частотой 4 МГц. Мистер Блэк и Ходжес определили, что для решения с чередованием (если сопоставить с площадью 2n конвертера) потребуется меньшая площадь кристалла. Данный подход оказался весьма ценным в их конструкции, но не только этот факт был преимуществом – концептуально простой метод для умножения частоты дискретизации существующих высокопроизводительных АЦП, такой как 14-битный 105-MSPS AD6645 и 12-битный, 210-MSPS AD9430.
Хотя скорость и разрешение стандартных АЦП вышли далеко за рамки до 4МГц и 7 бит, АЦП с временным чередованием не продвинулись дальше 8-битного разрешения. Несмотря на это, на 8-битных уровнях производительности эта концепция широко используется в испытательной и измерительной аппаратуре, особенно применимы для широкополосных цифровых осциллографов. О влиянии на этот рынок свидетельствует 8-битный АЦП 20-GSPS, который был недавно разработан Agilent Labs, принят адаптирован к семейству осциллографов Agilent Technologies Infiniium. Конечно, АЦП с временным чередованием преуспевают на 8-битном уровне, но не справляются в приложениях, требующих сочетания высокого разрешения, широкой полосы пропускания и солидного динамического диапазона.
Основным ограничивающим фактором в системах АЦП с временным чередованием на 12/14-битных уровнях является согласования каналов. 8-битная система, обеспечивающая динамический диапазон 50 дБ, может выдерживать рассогласование усиления 0,25% и ошибку рассогласования тактовой частоты 5ps. Такой уровень точности может быть достигнут с помощью традиционных методов, таких как согласование схем физических каналов, использующих стандартные АЦП эталонных напряжений, устройств предварительной фильтрации и активной аналоговой обрезки, но для более высоких разрешениях – намного строже. До сих пор устройства, использующие более инновационные методы согласования, не были доступны в продаже.
В этой статье будут подробно изложены требования согласования для 12/14-разрядных систем АЦП с временным чередованием, осветится идея передовых методов цифровой постобработки в качестве вспомогательной технологии и будет представлено устройство, использующее наиболее перспективное на сегодняшний день решение — Расширенный Банк фильтров (AFB) от V Corp Technologies, Inc.
Обзор процесса временного чередования
Временное чередование систем АЦП использует концепцию работы m-АЦП с частотой дискретизации, равной 1/m от общей частоты дискретизации системы. Каждый канал синхронизируется с фазой, которая позволяет системе в целом производить выборку с равными интервалами времени, создавая бесшовное изображение выборки одного аналого-цифрового преобразователя на полной скорости. Для простоты в данной статье основное внимание уделяется системам с двумя преобразователями, но системы с четырьмя преобразователями обсуждаются, когда это необходимо, чтобы четко обозначить ключевые различия в производительности. Большинство блок-схем, математических соотношений и решений выделяют двухканальную конфигурацию.
Задача проектирования временного чередования
Как уже упоминалось, согласование каналов напрямую влияет на характеристики динамического диапазона АЦП с временным чередованием. Несовпадение между каналами АЦП приводит к ухудшению динамического диапазона, которое на графике – проявляется в виде паразитных частотных составляющих, называемых паразитными изображениями и паразитными смещениями. Паразитные изображения, связанные с системами АЦП с временным перемением, являются прямым результатом рассогласования коэффициента усиления и фазы между каналами АЦП. Ошибки усиления и фазы создают функции ошибок, которые ортогональны друг другу. Оба вносят вклад в энергию в одной и той же частотной области. Паразитные смещения генерируется разницей смещения между каналами АЦП. В отличии от паразитного изображения, паразитное смещение не зависит от входного сигнала. Для данного несоответствия паразитного смещения ответвление смещения всегда будет на одном уровне. Обширные исследования поведения этих «паразитов» привели к появлению нескольких математических методов для определения взаимосвязи между ошибками согласования каналов и характеристиками динамического диапазона.
Хотя эти методы являются исчерпывающими и очень полезными, использованный здесь подход «ошибки напряжения» обеспечивает простой метод понимания взаимосвязи, не требующий глубокого изучения сложных математических выводов. Этот подход основан на той же философии, которая используется в инструкции по применению AN-5019 компании Analog Devices для установления взаимосвязи между апертурным джиттером и ухудшением отношения сигнал-шум (SNR) в АЦП. Ошибка напряжения определяется, как разница между «ожидаемым» напряжением выборки и «фактическим» напряжением выборки.
Расширенная цифровая пост обработка
Разработка новых методов цифровой обработки сигналов, наряду с развитием недорогих, высокоскоростных конфигурируемых цифровых аппаратных платформ (DSP, FPGA, CPLD, ASIC и т.д.), проложила путь к прорыву в производительности АЦП с временным чередованием. Подходы к цифровой постобработке имеют несколько преимуществ перед классическими аналоговыми методами согласования. Они гибки в реализации и могут быть разработаны для обеспечения точности, за пределами интересующего разрешения АЦП. Концептуальное понимание того, как методы обработки цифровых сигналов могут влиять на архитектуру систем с временным чередованием. В этой концепции используется набор передаточных функций цифровой калибровки, которые обрабатывают выходной сигнал каждого АЦП, создавая новый набор «откалиброванных» выходов». Эти передаточные функции цифровой калибровки могут быть реализованы с использованием различных конфигураций цифровых фильтров (FIR, IIR и т. Д.). Они могут быть такими же простыми, как уменьшение усиления на один канал или столь же сложными, как регулировка усиления, фазы и смещения каждого канала в широком диапазоне частот и температур. Широкая полоса пропускания и согласование температуры представляет собой прекрасную возможность — и проблему — для цифровой постобработки для повышения производительности систем АЦП с временным чередованием.
Заключение
Временное чередование становится важной тенденцией в повышении производительности высокоскоростных систем АЦП. Усовершенствованные методы цифровой постобработки, обеспечивают удобное решение жестких требований согласования каналов на уровнях разрешения, которые ранее были недостижимы для систем с временным чередованием. В сочетании с лучшими доступными архитектурами АЦП передовые технологии DSP, готовы вывести высокоскоростные системы АЦП на новый уровень производительности и способствовать значительно улучшенным продуктам и системам на таких требовательных рынках, как медицинские устройства и точные дозаторы лекарств (измерение расхода жидкости), радар с синтезированной апертурой, цифровое формирование луча системы связи и передовые системы тестирования/измерения.