שימוש בארכיטקטורת ADC דו-נתיבית ללכידת אותות רחבי פס רעש-נמוך

יישומי מכשור בתחום הזמן כגון ספקטרומטריית מסה בזמן-טיסה (TOF-MS), חישה מבוזרת בסיב אופטי, טומוגרפיה אופטית קוהרנטית ואוסצילוסקופים מהירות-גבוהה דורשים לכידת אותות מדויקת מזרם ישר (DC) ועד תדרים מרובי ג'יגה-הרץ (GHz). ארכיטקטורות קונבנציונליות של מבצעי דיגיטציה במהירות גבוהה מתמודדות עם מגבלה בסיסית בדיוק המדידה בשל הרעש האינהרנטי בממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs), מה שמאלץ את המתכננים להתפשר בין דיוק ללכידה רחבת פס.

מאמר זה מספק מבוא קצר לאתגרי הדיגיטציה העומדים בפני מתכנני מכשור בתחום הזמן. לאחר מכן, הוא מציג מבצע דיגיטציה ביצועים-גבוהים מבית Analog Devices ומראה כיצד מתכננים יכולים להשתמש בלוח זה ובמשאבי הפיתוח שלו עבור מימוש מוצלח.

כיצד אתגרי דיגיטציה רחבת פס משפיעים על מכשור בתחום הזמן

יישומי מכשור בתחום הזמן חולקים דרישה משותפת לדיגיטציה מדויקת ברוחב-פס רחב. לדוגמה, ב-TOF-MS (איור 1), דיגיטציה מספקת את הבסיס לזיהוי דגימות. כאן, יונים מדגימה מואצים דרך הוואקום הנשמר בשפופרת הטיסה (flight tube), היכן שהם מגיעים למהירויות שונות בהתאם ליחס בין המסה למטען שלהם. כל מקבץ יונים בעלי אותו יחס מסה-מטען מגיע לגלאי כפולס צר עד כדי כמה מאות פיקו-שניות (ps).

איור 1: ב-TOF-MS, יונים מואצים לאותה אנרגיה קינטית נעים במהירויות שונות בהתאם למסה, כשיונים קלים יותר מגיעים לגלאי ראשונים, מה שמאפשר חישוב המסה ישירות מזמן הטיסה. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-TOF-MS מסתמך על תת-מערכת ה-ADC ביצועים-גבוהים שלו כדי לבצע דיגיטציה אמינה של הפולס ולקבוע את שיאו, שמייצג את זמן ההגעה של כל מקבץ יונים ולכן את המסה של אותו סוג יון. מאחר וכל דגימה היא קריטית בקביעת שיא זה, תת-מערכת ה-ADC צריכה לספק קצבי ג'יגה-דגימות לשנייה (Gsamples/s) כדי ללכוד מספיק דגימות.

אוסצילוסקופים מהירות-גבוהה וחישה מבוזרת בסיב-אופטי עומדים בפני דרישות דומות עבור מדידת אותות מדויקת ברוחב-פס גבוה. אוסצילוסקופים מהירות-גבוהה דורשים לכידה מדויקת של טרנזיינטים מהירים תוך שמירה על נאמנות קו הבסיס בזרם ישר (DC baseline). מערכות חישה מבוזרת בסיב-אופטי חולקות את הצורך בלכידה רחבת פס עם רעש נמוך בכל רוחב-פס המדידה, מקרוב ל-DC ועד מספר ג'יגה-הרץ.

האתגר ביישומים אלה ואחרים הוא להבטיח גם רוחב-פס רחב וגם מדידה מדויקת, אפילו בתדרים נמוכים יותר שבהם רעש ‎1/f פוגע בביצועים של ממירי ADC תדר-רדיו (RF). ממוטב ללכידת אותות RF, סוג זה של ממירי ADC מספק את רוחב הפס הנדרש אך מציג רעש ‎1/f מוגבר בתדרים נמוכים מתחת לפינת ה-‎1/f שלה (איור 2).

איור 2: רעש ה-‎1/f האינהרנטי בממירי ADC עולה בתדרים מתחת לפינת ה-‎1/f, מה שמגביל את דיוק המדידה. (מקור תמונה: Analog Devices)

הרעש גובר ככל שהתדר יורד, והתוצאה מכך היא יחס אות לרעש (SNR) נמוך יותר ואי-ודאות מדידה מוגברת בתדרים נמוכים, אפילו כאשר ה-ADC מתפקד היטב בתדרי ג'יגה-הרץ. ממירי ADC מדויקים ממזערים רעש ‎1/f באמצעות מאפיינים אדריכליים כגון ייצוב קוצץ, איפוס אוטומטי ודגימה כפולה מקושרת, שמתעדפים דיוק תדר-נמוך על פני ביצועים בפס רחב, להוציא מן הכלל את השימוש שלהם ברוחבי פס של גיגה-הרץ (GHz).

התמודדות עם פשרה בסיסית זו דורשת את ארכיטקטורת ה-ADC הדו-נתיבית החדשה המשמשת בלוח ההערכה ADMX6001-EBZ של Analog Devices.

כיצד הארכיטקטורה הדו-נתיבית ADMX6001 משיגה דיוק רחב פס

לוח ההערכה ADMX6001-EBZ הוא מבצע דיגיטציה 10 ג'יגה-דגימות לשנייה, בעל צימוד DC, ותכן ייחוס שלם עבור מבצעי דיגיטציה מדויקים בהתאמה אישית בעלי רעש נמוך ורוחב-פס גבוה. הוא פותר את הפשרה בין רוחב-פס לדיוק באמצעות ארכיטקטורה דו-נתיבית הכוללת נתיב ADC מהירות-גבוהה ממוטב ללכידת פס-רחב ונתיב ADC מדויק ממוטב לדיוק תדר-נמוך. על ידי שילוב נתונים משני נתיבים אלה, הלוח מפצה על רעש ‎1/f בממירי ADC מהירות-גבוהה, תוך שמירה על דיגיטציית אות מדויקת מ-DC עד ‎5 GHz.

הנתיב המהיר מתרכז ב-AD9213 12-bit RF ADC של Analog Devices (איור 3), שיכול לדגום בקצב של 10 ג'יגה-דגימות לשנייה. ה-AD9213, שמתוכנן לספק רוחב-פס מיידי רחב ושיעורי שגיאות המרה נמוכים, מבוסס על ליבת ADC דיפרנציאלית, רב-שלבית, עובדת בחפיפה (pipelined), עם תיקון שגיאות יציאה. כדי להבטיח רוחב-פס מקסימלי והשהיית יציאה דטרמיניסטית, דרגת היציאה שלו משלבת ממשק JESD204B בעל 16 נתיבים. מעבר לכך שמספקת קצבי קו של 16 ג'יגה-ביט לשנייה (Gbits/s), דרגת היציאה משתמשת במנגנוני JESD204B סטנדרטיים כדי לשמור על השהייה דטרמיניסטית בין יציאת ה-AD9213 לכניסת בקר מארח JESD204B.

איור 3: ה-AD9213 משלב ליבת ADC דיפרנציאלית, רב-שלבית, עובדת בחפיפה (pipelined) עם תיקון שגיאות יציאה וממשק JESD204B בעל 16 נתיבים התומך בקצבי קו של עד 16 ג'יגה-ביט לשנייה. (מקור תמונה: Analog Devices)

ממיר ADC זה מספק את הביצועים הדינמיים הגבוהים הנדרשים ללכידת אותות מדויקים בתדר גבוה. בקצב של 10 ג'יגה-דגימות לשנייה עם כניסה של ‎1000 MHz ב-1- דציבל ביחס לקנה מידה מלא (dBFS), ה-AD9213 מציג יחס אות לרעש (SNR) של ‎55.8 dBFS וטווח דינמי חופשי מאדוות (SFDR) של ‎70 dBFS (אופייני). יתר על כן, התקן זה שומר על יחס אות לרעש (SNR) ו-SFDR מעולים בתדרי כניסה מ-‎100 MHz ועד מעבר ל-‎6 GHz (איור 4), ועונה על הדרישה לדיוק רחב-פס.

איור 4: ה-AD9213 שומר על ביצועי SNR ו-SFDR גבוהים בתדרי כניסה מ-‎100 MHz ועד מעל ‎6 GHz, ומספק את יכולת הלכידה בפס רחב הנדרשת עבור מכשור בתחום הזמן. (מקור תמונה: Analog Devices)

הנתיב המדויק משתמש ב-AD4080 של Analog Devices, ממיר ADC מסוג אוגר קירוב רציף (SAR) דיפרנציאלי של 20 סיביות, 40 מגה-דגימות לשנייה (Msamples/s), עם גילוי אירועים, מסנן דיגיטלי ודוגם שתי-כניסות משולבים, כדי להבטיח המרה מדויקת בקצבי דגימה גבוהים. דרגת המוצא שלו מספקת גישה ישירה לתוצאות ההמרה ולזיכרון FIFO (ראשון נכנס ראשון יוצא) בנפח 16,384 דגימות, דרך ממשק התומך הן בפרוטוקול SPI והן בשידור הפרשי במתח נמוך (LVDS). כמו עם ה-AD9213, ה-AD4080 מספק יכולות מובנות שנועדו לסייע בהבטחת סנכרון מול הבקר המארח ופיצוי על השהיות התפשטות (Propagation Delays) במערכת. בעוד שה-AD9213 מספק את רוחב הפס הנדרש, ה-AD4080 מספק את הדיוק הנדרש בתדרים נמוכים. בתדר של 1 קילוהרץ (kHz), ה-AD4080 משיג ‎93.6 dB SNR ועיוות הרמוני כולל (THD) של ‎-110.2 dB (איור 5).

איור 5: בתדר של ‎1 kHz, ה-AD4080 משיג ‎93.6 dB SNR ועיוות הרמוני כולל (THD) של ‎-110.2 dB, מדגים את הדיוק בתדרים נמוכים המשלים את יכולת לכידת הפס הרחב של ה-AD9213. (מקור תמונה: Analog Devices)

לוח ה-ADMX6001-EBZ עונה על הצורך במכשירים בתחום הזמן לטפל באותות כניסה קצה-יחיד, חד-קוטביים או דו-קוטביים ברמות DC שונות. יחד עם דוחף ADC מהירות-גבוהה להמרת קצה-יחיד להפרשי, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) מדויק מספק ממתח (Biasing) לדוחף ה-ADC כדי לאפשר היסט DC מתכוונן, הממקסם את הטווח הדינמי של ה-AD9213 המהיר. יכולת זו היא חיונית ביישומים כגון TOF-MS, שבהם כוונון נכון של היסט DC מבטיח שהתחום הדינמי המלא של ה-ADC זמין עבור אותות פולסי יונים.

האצת הערכה ופיתוח בעזרת לוח ותוכנה נלווים

חברת Analog Devices תכננה את לוח ההערכה ADMX6001-EBZ כך שיעבוד עם ערכת ההערכה VCU118 ‏(EK-U1-VCU118-G) של AMD/Xilinx (איור 6). מבוססת על מערך שערים ניתן לתכנות בשטח (FPGA) ביצועים-גבוהים, הערכה מספקת את המשאבים ואת יכולת העיבוד הדרושים לקליטת זרמי הנתונים של שני הנתיבים ושילובם. לפעולות דיגיטציה רגילות, לוח ה-ADMX6001-EBZ מתחבר ל-VCU118 דרך מחבר טורי מהיר (HSPC) מסוג כרטיס FPGA Mezzanine משופר (+FMC), תוך שימוש במאוורר שולחני קטן להפעלה רציפה.

איור 6: לוח הערכה ADMX6001-EBZ מתחבר לערכת VCU118 דרך מחבר FMC+ HSPC בעל תפוקה גבוהה, ומספק פלטפורמת חומרה שלמה להערכת ביצועי דיגיטציה דו-נתיבית. (מקור תמונה: Analog Devices)

ליבות קניין רוחני (IP) ובלוקי זיכרון הממומשים במטריצת ה-FPGA של ה-VCU118 מיישמים את ממשקי ה-JESD204B וה-LVDS הנפרדים והמהירים הדרושים לקבלת זרמי הנתונים הכפולים מה-AD9213 המהיר ומה-AD4080 המדויק. שני זרמי הנתונים מוזנים אל חוצצי זיכרון בתוך ה-FPGA לפני העברתם לזיכרון המערכת לצורך מיזוג עוקב ועיבוד ייעודי ליישום.

להערכת לוח ה-ADMX6001-EBZ ודיגיטציה של אותות, Analog Devices מספקת את כלי ממשק המשתמש הגרפי (GUI) שלה של IIO Oscilloscope, ואת ספריית ה-Python המקיפה שלה, PyADI-IIO. כלי ה-IIO Oscilloscope הוא ממשק משתמש גרפי חוצה פלטפורמות עבור שינוי אינטראקטיבי של הגדרות לוח, לכידת נתונים והצגת התוצאות. לדוגמה, כדי לאפשר את מצב צימוד ה-DC של ה-AD9213, מתכננים ישתמשו בלוח כלי IIO Oscilloscope (איור 7) כדי לציין את ההתקן (במקרה זה AD9213), אוגר (Register) העניין (כאן 0x1617) ואת ערכו (0x1).

איור 7: ממשק המשתמש הגרפי (GUI) של IIO Oscilloscope מספק גישה ישירה לאוגרים (Registers) לצורך הגדרת מצבי הפעולה של ה-ADC, כפי שמוצג כאן בעת הפעלת מצב צימוד-DC של ה-AD9213 על ידי כתיבת 0x1 לאוגר 0x1617. (מקור תמונה: Analog Devices)

ספריית ה-PyADI-IIO מספקת ממשק תכנות יישומים (API) לפונקציונליות של הלוח, הבנוי סביב מחלקת Python (Hammerhead) שמאתחלת את הלוח להגדרות ברירת המחדל ומספקת שיטות שמפשטות פעולות ברמה נמוכה עבור קביעת ההיסט, לכידת נתונים מכל ADC והצגתם בגרף.

קוד דוגמה, כגון הסקריפט ADMX6001_acquisition.py מספריית ה-PyADI-IIO, מדגים תבניות עיצוב בסיסיות לשימוש בשיטות אלו עבור רצפי הערכה מורכבים יותר. לדוגמה, כדי לבצע דיגיטציה של אות כניסה בהיסטי DC שונים, מתכננים מייבאים את מחלקת Hammerhead ממודול ה-ADMX6001_MultiClass_pCal של הספרייה ויוצרים מופע שלה. מתכננים זקוקים רק לכמה שורות קוד, תוך שימוש בשיטות של אותו מופע, כדי להעריך את יכולתו של לוח ה-ADMX6001-EBZ ללכוד דגימות בהיסטי DC שונים (רשימה 1).

Copy
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')

רשימה 1: כפי שמודגם בקטע קוד זה מספריית ה-PyADI-IIO, מתכננים זקוקים לשורות קוד בודדות בלבד כדי להעריך את יכולתו של לוח ה-ADMX6001-EBZ ללכוד דגימות בהיסטי DC שונים. (מקור הקוד: Analog Devices)

הצגת גרף הנתונים שנדגמו מאותו אות כניסה בשלושה היסטי DC שונים (0 מילי-וולט (mV), 200 mV,‏ -200 mV) מדגימה את יכולתו של לוח ה-ADMX6001-EBZ להתאים את ממתח הכניסה כדי למטב את ניצול התחום הדינמי של ה-ADC מהירות-גבוהה (איור 8).

איור 8: הצגת גרף הנתונים שנדגמו מאותו אות כניסה בשלושה היסטי DC שונים (0 מילי-וולט (mV), 200 mV,‏ -200 mV) מדגימה את יכולתו של לוח ה-ADMX6001-EBZ להתאים את ממתח הכניסה כדי למטב את ניצול התחום הדינמי של ה-ADC מהירות-גבוהה. (מקור תמונה: Analog Devices)

ביחד, שני כלים אלה מאיצים הערכה ופיתוח. בעוד ה-IIO Oscilloscope GUI מספק דרך מהירה ואינטראקטיבית לבדיקת הגדרות אוגר ואפשרויות לכידה שונות, ספריית ה-PyADI-IIO מאפשרת את היישום של רצפי פעולות מורכבים יותר.

סיכום

יישומי מכשור הדורשים דיגיטציה מדויקת מ-DC ועד תדרים מרובי ג'יגה-הרץ מאלצים את המתכננים להתפשר בין לכידה רחבת פס לבין דיוק בתדרים נמוכים. לוח ההערכה המבצע דיגיטציה ADMX6001-EBZ 10 GSPS עם צימוד-DC מבית Analog Devices פותר פשרה זו באמצעות ארכיטקטורה דו-נתיבית. מזווג עם ערכת פיתוח FPGA וכלי תוכנה, לוח זה מספק פלטפורמת הערכה ותכן ייחוס שלם המאיץ את פיתוחם של מבצעי דיגיטציה מדויקים בפס רחב עבור יישומים תובעניים בתחום הזמן.

מקורות:

1. סרטון הדגמת מוצר ADMX6001-EBC
2. פרויקט ADMX6001-EBZ HDL (תכן ייחוס)