如何利用數字信號發生器測量THD為-120dB的超低失真DAS

作者： Srudeep Patil，Carmelo Morello

數據采集系統（DAS）將模擬信號轉換為數字格式，然后經過數字信號處理器的分析，從而析取有用的信息。成像、音頻以及振動分析等有些應用要求DAS具有高信噪比（SNR）和超低總諧波失真（THD）。

開發寬動態范圍DAS帶來眾多設計和測試挑戰。主要的測試挑戰是缺乏具有較好THD和SNR的信號源。當DAS的額定值為100dB SNR和-120dB THD時，信號發生器的THD和SNR就成為關鍵因素。

本文介紹數字預失真如何改善數字信號發生器的失真性能，從而支持測量THD為-120dB的超低失真DAS。

為什么要改進信號源失真？

為了對DAS的THD進行特征分析，應將無失真的理想正弦波連接到系統輸入。此時，在DAS的輸出測量DAS非線性引起的THD。

為保證在輸出測得的THD是由DAS非線性造成的，所用信號發生器的失真與被測DAS相比應能夠忽略不計。然而，大多數信號發生器的性能往往不足以測量THD優于-120dB的超低失真DAS。所以，為了評估以及保證DAS測量質量，我們需要改進信號發生器的失真性能。

DAS及測量配置

DAS的主要信號通路設計采用低失真和低噪聲器件。實驗采用MAX11905DIFEVKIT寬動態和超低失真DAS。MAX11905DIFEVKIT DAS有三個主要器件：

●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、超低噪聲串聯型電壓基準

表1所示為所用信號鏈器件的噪聲和失真性能。

表1：DAS信號鏈中所用器件的性能

如何利用數字信號發生器測量THD為-120dB的超低失真DAS

測試DAS動態性能的測試配置如圖1所示。低失真信號發生器為Audio Precision （AP） 2722。

圖1：測量DAS動態性能的測試配置。

Audio Precision 2722用于產生全差分10kHz正弦波信號，施加到增益為1V/V 的MAX44205驅動器。MAX11905 ADC工作在全差分模式，VREF= 3V，由MAX6126電壓基準提供。信號分析儀和ADC同步至相同的時鐘發生器，以實現相干采樣測量。

利用傳統方法測量DAS性能

圖2所示為利用圖1中測試配置測得的DAS動態性能結果。ADC的采樣率為1.6MSPS。

圖2：在MAX11905DIFFEVKIT上、采樣率為1.6MSPS時測得的DAS系統的原始FFT和動態性能。

97.3dB SNR相對較好，但輸出處的諧波高于DAS的期望值。如我們后文所說，受信號發生器的失真所限，THD測量值為-112dB。

利用數字預失真（DPD）改善失真

應用數字修正技術，以改善數字信號發生器的失真或THD。向數字信號中增加諧波以消除或降低數/模轉換器引起的諧波的過程稱為數字預失真或數字線性化。圖3所示為典型數字信號發生器的主要電路方框圖。

圖3：數字信號發生器方框圖。

系統操作有以下幾點說明：

●數字波形部分儲存波形的數字采樣

●DAC部分將數字采樣轉換為對應的模擬值

●緩沖器部分提供必要的功率和輸出阻抗，作為被測設備（DUT）激勵

●數字預失真部分提供預失真波形

用來激勵DUT的信號為正弦波。信號發生器利用數字采樣產生正弦波。

式1表示連接到DAC來產生模擬輸出信號的正弦波數字采樣。式1、2、3、4和5的顏色分別對應圖3中的相應方框。

式中：

yd方程式表示數字信號

A1為基波信號的幅值

ω1 = 2 × pi × f1

f1為正弦波基頻

t為采樣周期

φ_1為基波信號的相位

式2表示信號發生器的模擬輸出。式2中的紅色項表示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，以藍色表示的數字預失真部分增加幅值相當但極性相反的諧波，以消除發生器輸出的諧波。式3表示經過數字預失真后的波形。

其中yd_DPD為應用預失真后的數字波形。

式3產生的信號應用到DAC（見圖3）。因此，發生器輸出的新波形為：

其中ya_DPD為具有數字預失真的模擬輸出波形。

2次和3次諧波中幅值相當、極性相反的部分彼此抵消，因此形成式5：

選擇2次和3次諧波來產生數字預失真波形的過程是一種迭代法，在下文中詳述。

實施數字預失真

本實驗中，數字信號發生器（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所示的測量，任意波（D/A）模式用于圖5、6和7所示的測量。

在圖2所示的測量中，信號發生器提供10kHz正弦波，用于評估DAS性能。為實施數字預失真，我們使用信號發生器的任意波模式（見圖3）。我們使用MATLAB程序產生10kHz正弦波的數字采樣，形成.wav格式文件。現在，可將這些數字采樣裝載到信號發生器，然后利用集成DAC將其轉換為10kHz模擬正弦波。本測試中使用的信號發生器具有內部緩沖器，最大容量可儲存16，384個數字采樣。

展示數字預失真的實驗

采用圖4所示的配置，利用任意波形發生器產生10kHz正弦波。頻譜分析儀測量信號發生器的失真。10kHz陷波濾波器對基波信號進行衰減，以減小頻譜分析儀的失真。

圖4：消除諧波的測試配置。

圖5所示為陷波濾波器之后的正弦波頻譜，無數字預失真。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、對裝載至信號發生器的內部緩沖器的數字采樣進行數字預失真的測試結果。

圖6：數字修正之后的性能。

經過數字預失真后，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。

需要謹慎實施數字預失真，每次降低一種諧波分量。按照式3，將所有與3次諧波相關的參數設置為0，降低2次諧波。從圖5可知，FFT中的2次諧波大約為-112dB，相當于2.5μV。在-2.5μV至+2.5μV之間迭代選擇A2的值，驗證哪種幅值有助于降低2次諧波。經過幾次迭代，A2 = -1.5μV可降低2次諧波。也利用φ_2進一步降低諧波。采用A2 = -1.5μV，以及φ_2 = -45°，產生消除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，產生最佳效果，如圖6所示。

對信號發生器進行DPD之后的DAS測量性能

圖7所示為消除2次和3次諧波之后DAS在1.6Msps時的性能。