Bénéficier d'une caractérisation analogique de précision de classe instrument grâce à une plateforme de mesure et de source clé en main

L'émergence de convertisseurs de plus haute précision et de systèmes analogiques à bruit ultrafaible entraîne un besoin croissant de solutions de test capables de caractériser plus précisément les performances. Bien qu'il soit possible de construire des plateformes internes pour y parvenir, cela entraîne des coûts et des retards. Pour leur part, les configurations traditionnelles comprenant des générateurs et des analyseurs séparés peuvent introduire une distorsion et une variabilité qui érodent la précision et ne répondent pas aux exigences de caractérisation de ces dispositifs et systèmes.

Cet article présente un bref aperçu des défis auxquels sont confrontés les concepteurs lors du développement d'environnements de tests automatisés, audio et à signaux mixtes. Il présente ensuite une plateforme de mesure et de source de précision intégrée et prête à l'emploi d'Analog Devices, qui permet de générer des stimuli à distorsion ultrafaible et d'effectuer des mesures à haute résolution sans les inconvénients d'une instrumentation complexe.

Exigences croissantes en matière de génération de stimuli et de capacités de mesure

Dans les environnements de test audio de précision, de signaux mixtes et automatisés, les ingénieurs ont de plus en plus besoin de performances de classe instrument dans des formes compactes et intégrées. Le test des convertisseurs analogique-numérique (CAN) haute résolution, la validation de la fidélité de la bande audio pour les casques, les microphones et les prothèses auditives, ainsi que la prise en charge des flux de travail des équipements de test automatiques (ATE) à haut débit imposent des exigences croissantes en matière de sources de stimuli et de capacités de mesure.

Les tests hautes performances dépendent de stimuli sinusoïdaux exceptionnellement purs et d'un faible bruit à large bande, de sorte que toute distorsion et tout bruit provenant de la source restent bien en deçà de ceux du dispositif sous mesures (DUT). L'analyse dynamique et l'évaluation de la transformation de Fourier rapide (FFT) nécessitent des fonctions d'échantillonnage ou de fenêtrage cohérentes afin de réduire les fuites spectrales et de maintenir la fidélité des mesures lorsque la cohérence ne peut être obtenue autrement.

La demande de dispositifs audio de plus haute fidélité nécessite des tonalités propres et reproductibles ainsi que des modèles à multi-tons sur toute la bande audio afin de révéler les contributions de la distorsion, de l'intermodulation et du bruit. Ces exigences s'étendent aux environnements de test automatisés, où les flux de production haut débit reposent sur un comportement déterministe du stimulus, des profils de forme d'onde prédéfinis et des conditions d'étalonnage stables.

Le développement de signaux mixtes bénéficie également de sources de stimulus capables de générer des formes d'onde en courant continu (CC), sinusoïdales, à double tonalité et arbitraires pour prendre en charge l'évaluation dans une large gamme de conditions de fonctionnement.

La plateforme ADMX1001B d'Analog Devices offre la combinaison de caractéristiques nécessaires pour relever ces défis.

Comment la plateforme ADMX1001B permet une caractérisation de précision

Mesurant seulement 40 mm × 60 mm, l'ADMX1001B d'Analog Devices est un système sur module (SoM) conçu pour offrir la fidélité, la répétabilité et la contrôlabilité requises pour l'évaluation de précision de la bande audio en utilisant des formes d'onde à tonalité unique, à double tonalité, CC et arbitraires. À la base de l'architecture de l'ADMX1001B, un système sur puce (SoC) gère la synthèse de la forme d'onde, la synchronisation et la mémoire, tout en intégrant des fonctions de contrôle de modèle, de maintien et de surveillance. Gérées par ce SoC, des chaînes de signaux dédiées permettent de générer et de mesurer la forme d'onde de précision du SoM (Figure 1).

Figure 1 : Le SoM ADMX1001B intègre des chaînes de signaux dédiées à la génération et à l'acquisition de formes d'onde, sous le contrôle d'un SoC embarqué, afin de permettre une évaluation précise de la bande audio. (Source de l'image : Analog Devices)

Une caractérisation fiable exige une source de stimulus qui présente une distorsion harmonique nettement inférieure à celle du DUT, tout en conservant une linéarité sur l'amplitude et la gamme de fréquences requises, sans introduire d'artefact lors du filtrage ou de la reconstruction. L'ADMX1001B atteint le niveau de performances requis pour les dispositifs à bande audio de la prochaine génération grâce à sa capacité à générer des tonalités avec une distorsion harmonique totale (THD) typique de -130 dB.

Pour atteindre ces performances, l'ADMX1001B applique plusieurs techniques. La chaîne de signaux entièrement différentiels du SoM achemine la sortie du convertisseur numérique-analogique (CNA) de 20 bits à travers des étapes de mise en forme des signaux qui filtrent l'énergie des perturbations associées aux transitions du code CNA et atténuent les répliques spectrales hors bande, ou composantes d'image, du signal analogique souhaité qui apparaissent à des multiples de la fréquence d'échantillonnage.

L'ADMX1001B améliore encore la pureté de sortie des tonalités uniques jusqu'à 20 kHz en utilisant un algorithme breveté de pré-distorsion numérique (DPD) qui ne doit être exécuté qu'une seule fois pour améliorer la linéarité d'une combinaison fréquence-amplitude spécifique. En utilisant le signal de sortie renvoyé par le chemin de détection DPD (VSENSEP et VSENSEN à la Figure 1), l'algorithme DPD reconstruit numériquement le signal de sortie et le compare à un modèle pour générer des paramètres de correction qui améliorent considérablement la pureté de l'onde sinusoïdale (Figure 2).

Figure 2 : Par rapport à une sortie à tonalité unique sans DPD (à gauche), l'application DPD (à droite) réduit considérablement les composantes harmoniques et améliore la pureté spectrale globale. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADMX1001B conserve ces paramètres générés sous forme de profils de forme d'onde dans une mémoire non volatile qui peut contenir jusqu'à 15 profils pour les formes d'onde à tonalité unique, à tonalité unique avec DPD, à double tonalité et à courant continu, ainsi qu'un profil de forme d'onde arbitraire fourni par l'utilisateur (sous réserve des contraintes de largeur de bande du filtre de sortie de 27 kHz du SoM). En rechargeant ces profils par le biais d'une commande matérielle ou logicielle, les utilisateurs peuvent rapidement passer d'un type de forme d'onde à l'autre pendant le test du dispositif sans compromettre la pureté du signal.

Côté mesure, l'ADMX1001B intègre un circuit d'entrée analogique (AFE) avec sept plages de mesure programmables. Le réglage de la plage de mesure appropriée empêche l'écrêtage et préserve la gamme dynamique complète du canal d'entrée du SoM pour les signaux d'entrée dans les limites de ±7,5 V différentiels et de ±7 V en mode commun du SoM. Ce trajet du signal inclut également un filtre antirepliement de 4e ordre qui conditionne le signal avant sa conversion par le CAN 24 bits, 256 Kéch./s (voir la Figure 1). Comme ce filtre définit la largeur de bande d'acquisition utilisable, le contenu à haute fréquence est atténué avant d'atteindre le CAN. Alors que le filtre antirepliement assure une réjection allant jusqu'à -130 dB, le canal d'acquisition atteint une gamme dynamique totale de 128 dB avec une THD typique de -115 dB (tonalité d'entrée de 1 kHz à pleine échelle).

Ensemble, ces capacités de génération et d'acquisition de signaux font de l'ADMX1001B un module compact de classe instrument permettant de fournir des stimuli de haute pureté et des mesures synchronisées. Pour aider les développeurs à tirer pleinement parti de cette fonctionnalité, Analog Devices propose une paire de cartes qui permettent une évaluation immédiate des capacités de l'ADMX1001B et qui le positionnent comme un banc d'essai de précision prêt à l'emploi.

Permettre une évaluation rapide grâce à un environnement de banc d'essai clé en main

Analog Devices propose une plateforme d'évaluation complète qui combine l'ADMX1001B avec la carte d'évaluation EVAL-ADMX100X-FMCZ (Figure 3) et la carte de contrôleur SDP-H1 (EVAL-SDP-CH1Z). Utilisées ensemble, ces cartes forment un environnement clé en main qui relie le SoM ADMX1001B à un PC hôte, fournit l'alimentation et l'horloge, et expose les voies de génération et d'acquisition de signaux du module pour la configuration et la mesure.

Figure 3 : La carte d'évaluation EVAL-ADMX100X-FMCZ fournit l'alimentation, le routage des signaux et la connectivité externe nécessaires pour accéder aux voies de génération et d'acquisition de signaux de l'ADMX1001B. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans cette configuration, la carte EVAL-ADMX100X-FMCZ sert d'interface principale pour le SoM ADMX1001B, qui se branche sur la carte via un connecteur mezzanine pour la distribution d'énergie et les connexions de signaux. Les ports de sortie (OUTP/OUTN) permettent d'accéder à la source de distorsion ultrafaible, tandis que les ports d'entrée différentielle correspondants (AINP/AINN) prennent en charge les configurations d'acquisition de signaux externes ou de bouclage utilisées lors de l'étalonnage DPD. Des connecteurs supplémentaires permettent d'accéder à la voie de détection DPD, aux signaux de déclenchement et de synchronisation du matériel et aux commandes de sélection de mode pour les flux de travail de génération, d'acquisition et d'étalonnage.

La carte d'évaluation EVAL-ADMX100X-FMCZ se connecte via un connecteur FMC à la carte de contrôleur haute vitesse SDP-H1 (Figure 4), qui fournit les interfaces USB et parallèles haute vitesse nécessaires pour faire fonctionner l'ADMX1001B à partir d'un PC hôte. Architecturée autour d'un FPGA dédié et d'un processeur de signaux numériques, la carte de contrôleur alimente la carte d'évaluation et gère les communications USB, les transferts de configuration, le chargement des profils et l'acquisition haute vitesse.

Figure 4 : La connexion de la carte d'évaluation à la carte de contrôleur SDP-H1 complète un système clé en main pour la configuration de l'ADMX1001B, la génération de la forme d'onde et la mesure du signal. (Source de l'image : Analog Devices)

Analog Devices fournit l'outil logiciel ADMX100X doté d'une interface utilisateur graphique (GUI) pour gérer la génération de formes d'onde, l'entraînement DPD et les paramètres d'acquisition (Figure 5).

Figure 5 : Un outil logiciel doté d'une interface utilisateur graphique permet de gérer la génération de formes d'onde, le contrôle de l'acquisition et l'étalonnage DPD. (Source de l'image : Analog Devices)

Grâce à cet outil logiciel, les développeurs peuvent sélectionner des types de forme d'onde, ajuster les paramètres de tonalité, charger des motifs arbitraires et passer d'un profil enregistré à un autre. Lors de l'entraînement DPD, l'outil coordonne la génération du stimulus, la capture du trajet sensoriel et le calcul des paramètres de correction, et permet aux utilisateurs d'enregistrer le profil dans une mémoire non volatile. L'outil présente également les plages de mesure du canal d'acquisition et les commandes d'échantillonnage pour la capture dans le domaine temporel, la visualisation de la FFT et l'exportation d'échantillons à partir du CAN. En fournissant un accès facile aux paramètres matériels, l'interface utilisateur graphique rationalise la configuration et l'utilisation complète des capacités de l'ADMX1001B pour la génération et la mesure de stimuli de précision.

Conclusion

Avec l'émergence de convertisseurs de bande audio et de systèmes à signaux mixtes plus avancés, les configurations de bancs d'essai typiques introduisent souvent une distorsion et une variabilité qui limitent la précision et la reproductibilité des mesures de performances. La plateforme de génération et de mesure de formes d'onde intégrée d'Analog Devices fournit la distorsion ultrafaible et le faible bruit nécessaires pour caractériser en toute confiance les dispositifs haute résolution. Grâce à ces capacités, les développeurs peuvent évaluer plus efficacement les convertisseurs de bande audio et les sous-systèmes nouvelle génération destinés aux applications haute-fidélité.