השיגו אפיון אנלוגי-מדויק ברמת-מכשירים עם פלטפורמת מקור ומדידות מוגמרת

הופעתם של ממירים עם דיוק גבוה ומערכות אנלוגיות עם רעש אולטרה-נמוך מניעה צורך גובר בפתרונות בדיקה היכולים לאפיין ביצועים בצורה מדויקת יותר. אמנם ניתן לבנות פלטפורמות בתוך-הבית כדי להשיג זאת, אך ביצוע פעולה זו כרוך בעלויות ובעיכובים. מצידם, מערכות מסורתיות הכוללות גנרטורים ואנאלייזרים נפרדים עלולות להכניס עיוות ושונות שפוגעים בדיוק ואינם עומדים בדרישות האפיון עבור התקנים ומערכות אלה.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של האתגרים העומדים בפני המתכננים בפיתוח אודיו מתקדם, אותות מעורבים ומערכות בדיקה אוטומטיות. לאחר מכן הוא מציג פלטפורמת מקור-ומדידה משולבת מדויקת ומוכנה-לשימוש של Analog Devices‏, המאפשרת יצירת סטימולציה עם עיוותים אולטרה-נמוכים ומדידות ברזולוציה גבוהה ללא החסרונות של מכשור מורכב.

הדרישות הגוברות ליכולות יצירת ומדידה של גירויים

בסביבות בדיקה אוטומטיות, אותות מעורבים ומערכות שמע מדויקות, המהנדסים דורשים יותר ויותר ביצועים ברמת-מכשירים בצורות קומפקטיות ומשולבות. בדיקת ממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) ברזולוציה גבוהה, תיקוף נאמנות פס-אודיו עבור אוזניות, מיקרופונים ומכשירי שמיעה, ותמיכה בזרימות עבודה של ציוד בדיקה אוטומטי (ATE) עם תפוקה גבוהה, מציבים דרישות גוברות למקורות גירוי ויכולות מדידה.

בדיקות ביצועים גבוהים תלויות בגירויי גל סינוס טהור ביותר ועם רעש פס-רחב נמוך, כך שכל עיוותים ותרומות רעש מהמקור יישארו נמוכות בהרבה מאלה של המכשיר ההתקן הנבדק (DUT). אנליזה דינמית והערכת טרנספורמציית פורייה מהירה (FFT) דורשים דגימה קוהרנטית או פונקציות חלון כדי להפחית זליגה ספקטרלית ולשמור על נאמנות מדידה כאשר לא ניתן להשיג קוהרנטיות באופן אחר.

הביקוש עבור התקני אודיו באיכות גבוהה יותר מניע את הצורך בצלילים נקיים וחזרתיים ותבניות רבות-צלילים על פני פס תדרי אודיו כדי לגלות עיוותים, אינטרמודולציות ותרומות רעש. דרישות אלו מתרחבות לתוך סביבות בדיקה אוטומטית, שבהן זרימות עבודה של ייצור עם תפוקה גבוהה מסתמכות על התנהגות גירוי דטרמיניסטית, פרופילי צורת-גל מוגדרים-מראש ותנאי כיול יציבים.

פיתוח אותות-מעורבים נהנה גם ממקורות גירוי המסוגלים לייצר צורות-גל זרם-ישר (DC), סינוס, שני-צלילים וצורות-גל שרירותיות כדי לתמוך בהערכה על פני מגוון רחב של תנאי פעולה.

פלטפורמת ADMX1001B‏ של Analog Devices מציעה את שילוב המאפיינים הדרושים כדי להתמודד עם אתגרים אלה.

כיצד פלטפורמת ADMX1001B מאפשרת אפיון מדויק

במידות של 40 מ"מ × 60 מ"מ בלבד, ה-ADMX1001B של Analog Devices הוא מערכת-על-מודול (SoM) שנועדה להעניק את הנאמנות, חזרתיות ויכולת הבקרה הנדרשים עבור הערכת מדויקת של פס תדרי אודיו באמצעות צורות-גל של צליל-יחיד, צליל-כפול, DC וצורות-גל שרירותיות. בסיס הארכיטקטורה של ה-ADMX1001B היא מערכת-על-שבב (SoC) המנהלת סינתזת צורות-גל, תזמון וזיכרון, תוך שילוב פונקציות בקרת תבניות, בדק-בית וניטור. שרשרות אותות ייעודיות, המנוהלות על ידי SoC זה, מעניקות את יכולות יצירת צורות-גל ומדידות מדויקות של ה-SoM (איור 1).

איור 1: ה-ADMX1001B SoM משלב שרשרות אותות ייעודיות ליצירת וקליטת צורות-גל תחת הבקרה של SoC מובנה כדי לתמוך בהערכת מדויקת של פס תדרי אודיו. (מקור התמונה: Analog Devices)

אפיון אמין דורש מקור גירוי המציג עיוותים הרמוניים נמוכים יותר משמעותית בהשוואה ל-DUT, תוך שמירה על ליניאריות על פני תחום האמפליטודות והתדרים הנדרשים מבלי להכניס ארטיפקטים במהלך סינון או שחזור. ה-ADMX1001B משיג את רמת הביצועים הנדרשת עבור התקני אודיו של הדור-הבא עם יכולתו לייצר צלילים עם עיוותים הרמוניים כוללים (THD) טיפוסיים של dB‏ 130‏-.

כדי להשיג ביצועים אלה ה-ADMX1001B מיישם מספר טכניקות. שרשרת האותות הדיפרנציאליים-במלואם של ה-SoM מנתבת את היציאה מממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) של bit‏-20‏ דרך דרגות עיבוד אותות המסננים אנרגיית שיבושים הקשורה למעברי קוד DAC את הרפליקות הספקטרליות מחוץ-לפס, או רכיבי תמונה, של האות האנלוגי הרצוי המופיעים בכפולות של קצב הדגימה.

ה-ADMX1001B משפר עוד יותר את טוהר היציאה של צלילים בודדים עד kHz‏ 20‏ באמצעות אלגוריתם קדם-עיוותים דיגיטליים (DPD) מוגן-פטנט, שיש להפעילו פעם אחת בלבד כדי לשפר את הלינאריות עבור צירוף תדר-אמפליטודה ספציפי. באמצעות אות הכניסה המוזן חזרה דרך נתיב חישה DPD‏ (VSENSEP ו-VSENSEN באיור 1), אלגוריתם ה-DPD משחזר דיגיטלית את אות היציאה ומשווה אותו למודל כדי ליצור פרמטרי תיקון המשפרים משמעותית את טוהר גל הסינוס (איור 2).

איור 2: בהשוואה ליציאת צליל-יחיד ללא DPD (משמאל), יישום DPD (מימין) מפחית משמעותית את הרכיבים ההרמוניים ומשפר את הטוהר הספקטרלי הכולל. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-ADMX1001B שומר את הפרמטרים שנוצרו כפרופילי צורת-גל בזיכרון לא-נדיף המכיל עד 15 פרופילים עבור צורות-גל של צליל יחיד, צליל יחיד עם DPD, צליל כפול וצורות-גל DC, כמו גם פרופיל אחד עבור פרופיל צורת-גל שרירותי המסופק על ידי המשתמש (בכפוף למגבלות רוחב-הפס של מסנן היציאה kHz‏ 27‏ של ה-SoM). על ידי טעינה-מחדש של פרופילים אלה באמצעות בקרת חומרה או תוכנה, המשתמשים יכולים לעבור במהירות בין סוגי צורת-גל שונים במהלך בדיקת ההתקן מבלי לפגוע בטוהר האות.

בצד המדידה, ה-ADMX1001B משלב קצה-קדמי אנלוגי (AFE) עם שבעה תחומי מדידה ניתנים-לתכנות. הגדרת תחום המדידה המתאים מונעת קיצוץ ומשמרת את מלוא התחום הדינמי של ערוץ כניסת ה-SoM עבור אותות כניסה בתוך הגבולות של V‏ 7.5‏± דיפרנציאלי ו-V‏ 7‏± אופן-משותף (CM‏) של ה-SoM‏. נתיב אות זה כולל גם מסנן Anti-Aliasing‏ מסדר רביעי המעבד את האות לפני המרה על ידי ממיר ADC‏ bit‏-24‏ בקצב של 256 קילו-דגימות-לשנייה (kS/s) (ראו שוב איור 1). מכיוון שמסנן זה מגדיר את רוחב-הפס הניתן-לשימוש של האות הנקלט, תוכן בתדר גבוה יותר מונחת לפני שהוא מגיע ל-ADC. בעוד שמסנן Anti-Aliasing‏ מספק דחייה של עד dB‏ 130‏-, ערוץ הקליטה משיג תחום דינמי כולל של עד dB‏ 128‏ עם THD טיפוסי של dB‏ 115‏- (צליל כניסה kHz‏ 1‏ בתחום-מלא).

ביחד, יכולות יצירת וקליטת אותות אלו הופכות את ה-ADMX1001B למודול קומפקטי ברמת-מכשירים עבור אספקת גירויים בעלי טוהר גבוה ומדידות מסונכרנות. כדי לסייע למפתחים לנצל באופן מלא את הפונקציונליות הזו, Analog Devices מציעה זוג לוחות המאפשרים הערכה מיידית של יכולות ה-ADMX1001B ותומכים בייעודו כשולחן בדיקה מדויק מוכן לשימוש.

אפשור הערכה מהירה עם סביבת בדיקות מוגמרת

חברת Analog Devices מספקת פלטפורמת הערכה שלמה המשלבת את ה-ADMX1001B עם לוח ההערכה EVAL-ADMX100X-FMCZ‏ (איור 3) ולוח הבקר EVAL-SDP-CH1Z‏ SDP-H1‏. כאשר משתמשים בהם יחד, לוחות אלה יוצרים סביבה מוכנה-לשימוש המקשרת את ה-ADMX1001B SoM למחשב PC‏ מארח, מספקת כוח ושעון, וחושפת את נתיבי יצירת וקליטת האותות של המודול עבור הגדרת תצורה ומדידות.

איור 3: לוח ההערכה EVAL-ADMX100X-FMCZ‏ מספק את הכוח, ניתוב האותות והחיבוריות החיצונית הנדרשים לגישה לנתיבי יצירת האותות וקליטתם של ה-ADMX1001B. (מקור התמונה: Analog Devices)

בתצורה זו, לוח ה-EVAL-ADMX100X-FMCZ משמש כממשק העיקרי עבור ה-SoM‏ ADMX1001B, אשר נתחב לתוך הלוח דרך מחבר Mezzanine‏ עבור פילוג הספקת-כוח וחיבורי אותות. נקודות-חיבור יציאה (OUTP/OUTN) מספקות גישה למקור עם עיוותים אולטרה-נמוכים, בעוד שנקודות-חיבור הכניסה הדיפרנציאליות המתאימות (AINP/AINN) תומכות בתצורות קליטת אותות חיצוניים או חוג-חוזר המשמשים במהלך כיול DPD. מחברים נוספים מביאים את נתיב חישת DPD, אותות טריגר וסנכרון חומרה, ופקדי בחירת-אופן עבור זרימות עבודה של יצירה, קליטה וכיול.

לוח ההערכה EVAL-ADMX100X-FMCZ מתחבר דרך מחבר FMC ללוח הבקר במהירות גבוהה SDP-H1 (איור 4), המספק את ממשקי ה-USB והמקבילים במהירות גבוהה הנדרשים להפעלת ה-ADMX1001B ממחשב PC‏ מארח. לוח הבקר, הבנוי סביב מערך שערים ניתנת-לתכנות-בשטח (FPGA) ייעודי ומעבד אותות דיגיטלי, מפעיל את לוח ההערכה ומנהל את תקשורת USB, העברות תצורה, טעינת פרופילים וקליטה במהירות-גבוהה.

איור 4: חיבור לוח ההערכה ללוח הבקר SDP-H1 משלים מערכת מוגמרת עבור תצורת ADMX1001B, יצירת צורת-גל ומדידת אותות. (מקור התמונה: Analog Devices)

Analog Devices מספקת את כלי התוכנה עם ממשק משתמש גרפי (GUI)‏ ADMX100X‏ עבור ניהול יצירת צורות-גל, אימון DPD והגדרות קליטה (איור 5).

איור 5: כלי תוכנה עם ממשק משתמש גרפי מסייע בניהול יצירת צורות-גל, בקרת קליטה וכיול DPD. (מקור התמונה: Analog Devices)

באמצעות כלי התוכנה, המפתחים יכולים לבחור סוגי צורות-גל, להתאים פרמטרי צליל, לטעון תבניות שרירותיות, ולהחליף בין פרופילים מאוחסנים. בעת אימון DPD, הכלי מתאם את יצירת הגירויים, קליטת נתיב החישה וחישוב פרמטרי התיקון, ומאפשר למשתמשים לשמור את הפרופיל בזיכרון לא-נדיף. הכלי מציג גם את תחומי המדידה ובקרות הדגימה של ערוץ הקליטה עבור קליטת מרחב-הזמן, צפייה ב-FFT וייצוא דגימות מה-ADC. על ידי מתן גישה נוחה להגדרות החומרה, ה-GUI‏ מייעל את ההתקנה והשימוש המלא ביכולות ה-ADMX1001B עבור ייצור ומדידה מדויקים של גירויים.

סיכום

ככל שממירי פס תדרי אודיו מתקדמים יותר ומערכות אותות-מעורבים ממשיכים להופיע, תצורות אופייניות של עמדות בדיקה מציגות לעתים עיוותים ושונות המגבילים את הדיוק והחזרתיות של מדידות הביצועים. הפלטפורמה המשולבת ליצירת ומדידת צורות-גל של Analog Devices מעניקה את העיוותים האולטרה-נמוכים והרעש הנמוך הנדרשים עבור אפיון התקנים ברזולוציה גבוהה בבטחה. עם יכולות אלו המפתחים יכולים להעריך בצורה יעילה יותר ממירים ותת-מערכות בפס תדרי אודיו של הדור-הבא המיועדים עבור יישומים בנאמנות-גבוהה.