Utiliser une architecture CAN à double voie pour la capture de signaux large bande à faible bruit

Les applications d'instrumentation dans le domaine temporel telles que la spectrométrie de masse à temps de vol (TOF-MS), la détection fibre optique distribuée, la tomographie par cohérence optique et les oscilloscopes haute vitesse requièrent une capture précise des signaux, du courant continu (CC) aux fréquences multi-gigahertz. Les architectures de numériseurs haute vitesse classiques se heurtent à une limitation fondamentale de la précision de mesure en raison du bruit inhérent aux convertisseurs analogique-numérique (CAN), obligeant les concepteurs à faire des compromis entre précision et capture à large bande.

Cet article décrit brièvement les défis de numérisation auxquels sont confrontés les concepteurs d'instruments de mesure dans le domaine temporel. Il présente ensuite un numériseur hautes performances d'Analog Devices et montre comment les concepteurs peuvent utiliser cette carte et ses ressources de développement pour une mise en œuvre réussie.

Comment les défis de la numérisation large bande affectent l'instrumentation dans le domaine temporel

Les applications d'instrumentation dans le domaine temporel ont en commun l'exigence d'une numérisation de précision sur une large bande passante. Dans la technologie TOF-MS, par exemple (Figure 1), la numérisation fournit la base pour l'identification des échantillons. Ici, les ions d'un échantillon sont accélérés dans le vide maintenu dans le tube de vol, où ils atteignent des vitesses différentes en fonction de leur rapport masse/charge. Chaque groupe d'ions avec le même rapport masse/charge arrive au niveau du détecteur sous forme d'impulsion étroite de seulement quelques centaines de picosecondes (ps).

Figure 1 : En spectrométrie de masse à temps de vol, les ions accélérés à la même énergie cinétique se déplacent à des vitesses différentes selon la masse. Les ions les plus légers arrivent en premier au niveau du détecteur, ce qui permet de calculer la masse directement à partir du temps de vol. (Source de l'image : Analog Devices)

La technologie TOF-MS s'appuie sur son sous-système CAN hautes performances pour numériser l'impulsion de manière fiable et déterminer son pic, qui représente le temps d'arrivée de chaque groupe d'ions et donc la masse de ce type d'ion. Étant donné que chaque échantillon est essentiel pour déterminer ce pic, le sous-système CAN doit fournir des débits de giga-échantillons par seconde (Géch./s) pour capturer suffisamment d'échantillons.

Les oscilloscopes haute vitesse et la détection fibre optique distribuée sont confrontés à des exigences similaires pour la mesure précise des signaux à large bande passante. Les oscilloscopes haute vitesse requièrent la capture précise des transitoires rapides tout en maintenant la fidélité de la ligne de base CC. Les systèmes de détection fibre optique distribuée partagent le besoin d'une capture large bande avec un faible bruit sur toute la bande passante de mesure, de quasi-CC à plusieurs gigahertz.

Le défi dans ces applications et d'autres est de garantir à la fois une large bande passante et une mesure précise, même à des fréquences plus basses où le bruit en 1/f dégrade les performances des CAN radiofréquences (RF). Optimisée pour la capture de signaux RF, cette classe de CAN fournit la bande passante requise mais présente un bruit en 1/f élevé aux basses fréquences en dessous de son coude 1/f (Figure 2).

Figure 2 : Le bruit en 1/f inhérent aux CAN augmente aux fréquences en dessous du coude 1/f, limitant la précision des mesures. (Source de l'image : Analog Devices)

Le bruit augmente à mesure que la fréquence diminue, ce qui entraîne une dégradation du rapport signal/bruit (SNR) et une augmentation de l'incertitude de mesure aux basses fréquences, même lorsque le CAN fonctionne bien aux fréquences gigahertz. Les CAN de précision minimisent le bruit en 1/f grâce à des fonctionnalités architecturales telles que la stabilisation par découpage, l'auto-zéro et l'échantillonnage double corrélé, qui privilégient la précision basse fréquence plutôt que les performances large bande, empêchant leur utilisation à des bandes passantes GHz.

La résolution de ce compromis fondamental implique de recourir à la nouvelle architecture CAN à double voie utilisée dans la carte d'évaluation ADMX6001-EBZ d'Analog Devices.

Comment l'architecture à double voie de l'ADMX6001 permet d'atteindre une précision à large bande

La carte d'évaluation ADMX6001-EBZ offre un numériseur à couplage CC de 10 Géch./s et une conception de référence complète pour les numériseurs de précision personnalisés à faible bruit et large bande passante. Elle résout le compromis entre bande passante et précision grâce à une architecture à double voie comprenant une voie CAN haute vitesse optimisée pour la capture à large bande et une voie CAN de précision optimisée pour la précision à basse fréquence. En combinant les données provenant de ces deux voies, la carte compense le bruit en 1/f dans les CAN haute vitesse, maintenant une numérisation précise des signaux de CC à 5 GHz.

La voie haute vitesse est centrée sur le CAN RF 12 bits AD9213 d'Analog Devices (Figure 3), qui peut échantillonner à 10 Géch./s. Conçu pour offrir une large bande passante instantanée et de faibles taux d'erreur de conversion, l'AD9213 est basé sur un cœur CAN pipeline différentiel multi-étage, avec correction d'erreur de sortie. Pour garantir une bande passante maximum et une latence de sortie déterministe, l'étage de sortie intègre une interface JESD204B à 16 voies. En plus de fournir des débits de ligne de 16 Gbps, l'étage de sortie utilise des mécanismes JESD204B standard pour maintenir une latence déterministe entre la sortie de l'AD9213 et l'entrée JESD204B d'un contrôleur hôte.

Figure 3 : L'AD9213 intègre un cœur CAN pipeline différentiel multi-étage, avec correction d'erreur de sortie et une interface JESD204B à 16 voies prenant en charge des débits de ligne jusqu'à 16 Gbps. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce CAN offre les hautes performances dynamiques requises pour une capture précise des signaux haute fréquence. À 10 Géch./s avec une entrée de 1000 MHz à -1 dBFS, l'AD9213 présente un rapport SNR de 55,8 dBFS et une plage dynamique sans parasites (SFDR) de 70 dBFS (typique). De plus, ce dispositif maintient d'excellentes performances SNR et SFDR sur des fréquences d'entrée de 100 MHz à plus de 6 GHz (Figure 4), répondant ainsi aux exigences de précision large bande.

Figure 4 : L'AD9213 maintient de hautes performances SNR et SFDR sur des fréquences d'entrée, de 100 MHz à plus de 6 GHz, fournissant ainsi la capacité de capture large bande requise pour l'instrumentation dans le domaine temporel. (Source de l'image : Analog Devices)

La voie de précision utilise l'AD4080 d'Analog Devices, un CAN différentiel à registre d'approximations successives (SAR) de 20 bits et 40 Méch./s avec détection d'événements intégrée, un filtre numérique et un échantillonneur à double entrée pour garantir une conversion de précision à des fréquences d'échantillonnage élevées. Son étage de sortie offre un accès direct aux résultats de conversion et à une capacité FIFO (premier entré, premier sorti) de 16 384 échantillons via une interface prenant en charge à la fois l'interface périphérique série (SPI) et la sortie de signalisation différentielle à basse tension (LVDS). Comme l'AD9213, l'AD4080 offre des fonctionnalités intégrées conçues pour garantir l'alignement avec le contrôleur hôte et prendre en compte les temps de propagation du système. Là où l'AD9213 fournit la bande passante requise, l'AD4080 délivre la précision basse fréquence requise. À 1 kHz, l'AD4080 atteint un rapport SNR de 93,6 dB et une distorsion harmonique totale (THD) de -110,2 dB (Figure 5).

Figure 5 : À 1 kHz, l'AD4080 atteint un rapport signal/bruit de 93,6 dB et une distorsion harmonique totale de -110,2 dB, démontrant ainsi la précision basse fréquence qui complète la capture large bande de l'AD9213. (Source de l'image : Analog Devices)

La carte ADMX6001-EBZ répond au besoin des instruments dans le domaine temporel de traiter des signaux d'entrée asymétriques, unipolaires ou bipolaires à différents niveaux CC. En plus d'un circuit d'attaque CAN haute vitesse pour la conversion asymétrique-différentielle, un convertisseur numérique-analogique (CNA) de précision polarise le circuit d'attaque CAN pour fournir un décalage CC ajustable, maximisant ainsi la plage dynamique de l'AD9213 haute vitesse. Cette capacité est essentielle dans des applications telles que la spectrométrie de masse à temps de vol, où un ajustement correct du décalage CC garantit que la plage dynamique complète du CAN est disponible pour les signaux d'ions pulsés.

Accélérer l'évaluation et le développement grâce à une carte et un logiciel auxiliaires

Analog Devices a conçu la carte d'évaluation ADMX6001-EBZ pour un fonctionnement avec le kit d'évaluation VCU118 (EK-U1-VCU118-G) d'AMD/Xilinx (Figure 6). Basé sur un FPGA hautes performances, le kit fournit les ressources et les capacités de traitement nécessaires pour acquérir et combiner les flux de données à deux voies. Pour les opérations de numérisation normales, la carte ADMX6001-EBZ se connecte au VCU118 via un connecteur HSPC de carte mezzanine FPGA à haut débit amélioré (FMC+), avec un petit ventilateur de table pour un fonctionnement continu.

Figure 6 : La carte d'évaluation ADMX6001-EBZ se connecte au kit VCU118 via un connecteur HSPC FMC+ à haut débit, offrant ainsi une plateforme matérielle complète pour l'évaluation des performances de numérisation à double voie. (Source de l'image : Analog Devices)

Les blocs de propriété intellectuelle (IP) et les blocs de mémoire instanciés dans la matrice FPGA du VCU118 implémentent les interfaces LVDS et JESD204B haute vitesse distinctes nécessaires pour recevoir les deux flux de données provenant des dispositifs AD4080 de précision et AD9213 haute vitesse. Les deux flux de données sont envoyés dans les tampons de mémoire du FPGA avant d'être transférés vers la mémoire système pour une fusion ultérieure et un traitement spécifique à l'application.

Pour évaluer la carte ADMX6001-EBZ et la numérisation des signaux, Analog Devices fournit son outil d'interface utilisateur graphique (GUI) IIO Oscilloscope et sa bibliothèque Python PyADI-IIO complète. L'outil IIO Oscilloscope est une interface graphique interplateforme permettant de modifier interactivement les paramètres de la carte, de capturer des données et de tracer les résultats. Par exemple, pour activer le mode à couplage CC de l'AD9213, les concepteurs utilisent un écran d'outils IIO Oscilloscope (Figure 7) pour spécifier le dispositif (l'AD9213 dans ce cas), le registre d'intérêt (0x1617 ici) et sa valeur (0x1).

Figure 7 : L'interface graphique IIO Oscilloscope permet l'accès direct aux registres pour configurer les modes de fonctionnement du CAN. Ici, le mode à couplage CC de l'AD9213 est activé par l'écriture de la valeur 0x1 dans le registre 0x1617. (Source de l'image : Analog Devices)

La bibliothèque PyADI-IIO fournit une interface de programmation (API) pour les fonctionnalités de la carte, architecturée autour d'une classe Python (Hammerhead) qui initialise la carte sur les paramètres par défaut et fournit des méthodes pour l'abstraction des opérations de bas niveau pour définir le décalage, capturer les données de chaque CAN et tracer les résultats.

Le code d'exemple, tel que le script ADMX6001_acquisition.py de la bibliothèque PyADI-IIO, démontre des modèles de conception de base permettant l'utilisation de ces méthodes pour des séquences d'évaluation plus complexes. Par exemple, pour numériser un signal d'entrée à différents décalages CC, les concepteurs importent la classe Hammerhead du module ADMX6001_MultiClass_pCal de la bibliothèque et en créent une instance. Les concepteurs n'ont besoin que de quelques lignes de code, utilisant les méthodes de cette instance, pour évaluer la capacité de la carte ADMX6001-EBZ à capturer des échantillons à différents décalages CC (Liste 1).

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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')

Liste 1 : Comme illustré par cet extrait de code de la bibliothèque PyADI-IIO, les concepteurs n'ont besoin que de quelques lignes de code pour évaluer la capacité de la carte ADMX6001-EBZ à capturer des échantillons à différents décalages CC. (Source du code : Analog Devices)

La représentation graphique des données capturées à partir du même signal d'entrée à trois réglages de décalage CC (0 mV, 200 mV, -200 mV) démontre la capacité de la carte ADMX6001-EBZ à ajuster la polarisation d'entrée pour optimiser l'utilisation de la plage dynamique du CAN haute vitesse (Figure 8).

Figure 8 : La représentation graphique des données capturées à partir du même signal d'entrée à trois réglages de décalage CC (0 mV, 200 mV, -200 mV) démontre la capacité de la carte ADMX6001-EBZ à ajuster la polarisation d'entrée pour optimiser l'utilisation de la plage dynamique du CAN haute vitesse. (Source de l'image : Analog Devices)

Ensemble, ces deux outils permettent d'accélérer l'évaluation et le développement. Tandis que l'interface graphique IIO Oscilloscope offre un moyen interactif rapide de vérifier différents paramètres de registre et options de capture, la bibliothèque PyADI-IIO permet la mise en œuvre de séquences d'opérations plus complexes.

Conclusion

Les applications d'instrumentation exigeant une numérisation précise de CC jusqu'aux fréquences multi-gigahertz contraignent les concepteurs à trouver un compromis entre capture large bande et précision basse fréquence. La carte d'évaluation de numériseur 10 Géch./s à couplage CC ADMX6001-EBZ d'Analog Devices résout ce compromis grâce à une architecture à double voie. Associée à un kit de développement FPGA et à des outils logiciels, cette carte fournit une plateforme d'évaluation et une conception de référence complète permettant d'accélérer le développement de numériseurs large bande de précision pour les applications exigeantes dans le domaine temporel.

Références :

1. Vidéo de démonstration du produit ADMX6001-EBC
2. Projet HDL ADMX6001-EBZ (conception de référence)