利用一站式激励源和测量平台实现仪器级精密模拟表征

随着高精度转换器和超低噪声模拟系统的出现，市场对能进行更精确性能表征的测试解决方案的需求日益增长。虽然可以建立内部平台来实现这一目标，但这会带来成本增加和时间延迟。就其本身而言，由独立的信号发生器和分析仪组成的传统测试装置可能会引入失真和可变性，从而影响测量精度，无法满足这些设备和系统的表征要求。

本文首先简要回顾了设计人员在开发先进音频、混合信号和自动化测试环境时面临的挑战，然后介绍了 Analog Devices 推出的一款即用型集成精密激励源与测量平台。该平台能够实现超低失真激励信号生成和高分辨率测量，同时避免了复杂仪器系统的固有缺限。

日益增长的激励生成与测量能力需求

在精密音频、混合信号以及自动化测试环境中，工程师们越来越需要兼具仪器级性能与紧凑集成形态的解决方案。测试高分辨率模数转换器 (ADC)，验证耳机、麦克风和助听器的音频段的保真度，以及支持高吞吐量自动测试设备 (ATE) 工作流程，都对激励源和测量能力提出了更高的要求。

高性能测试依赖于极其纯净的正弦波激励和低宽带噪声，以确保激励源引入的失真和噪声远低于待测设备 (DUT)。动态分析和快速傅里叶变换 (FFT) 评估需要相干采样或开窗功能，以在无法保证相干性的情况下减少频谱泄漏并保持测量保真度。

对高保真音频设备的需求，推动了对整个音频段内纯净、可重复的单音及多音信号模式的需求，以揭示失真、互调失真和噪声影响。这些需求也延伸至自动化测试环境，其中高吞吐量生产工作流程依赖于确定的激励行为、预定义的波形配置文件以及稳定的校准条件。

混合信号开发同样受益于能够产生直流 (DC)、正弦、双音信号和任意波形的激励源，以支持在各种工作条件下进行评估。

Analog Devices 的 ADMX1001B 平台提供了应对这些挑战所需的特征。

ADMX1001B 平台如何实现精确表征

Analog Devices 的 ADMX1001B 尺寸仅为 40 mm × 60 mm，是一款系统级模块 (SoM)，旨在使用单音、双音、直流和任意波形，为精密音频段评估提供所需的保真度、可重复性和可控性。ADMX1001B 架构的基础是一个片上系统 (SoC)，它管理波形合成、定时和存储器，同时集成了模式控制、内务管理和监控功能。在该 SoC 的管理下，专用信号链提供了 SoM 的精密波形生成和测量功能（图 1）。

图 1：ADMX1001B SoM 在板载 SoC 控制下集成了专用波形生成和采集信号链，以支持精确音频段评估。（图片来源：Analog Devices）

可靠的表征要求激励源表现出比 DUT 明显低得多的谐波失真，同时在所需的幅度和频率范围内保持线性度，并且在滤波或重建过程中不引入伪影。ADMX1001B 能够生成典型总谐波失真 (THD) 低至 -130 dB 的信号，达到了满足下一代音频段设备所需的性能水平。

为了实现这一性能，ADMX1001B 采用了多种技术。该 SoM 的全差分信号链将 20 位数模转换器 (DAC) 的输出经由信号调节级进行路由，这些调节级可滤除与 DAC 代码转换相关的毛刺能量，并衰减所需模拟信号在采样速率倍数频率处出现的带外频谱镜像或镜像分量。

ADMX1001B 采用专利数字预失真 (DPD) 算法，进一步提高了 20 kHz 以下单音的输出纯度。该 DPD 算法只需运行一次，即可改善特定频率-幅度组合下的线性度。通过使用经 DPD 检测路径反馈回来的输出信号（图 1 中的 VSENSEP 和 VSENSEN），DPD 算法以数字方式重建输出信号，并将其与模型进行比较，以生成能显著改善正弦波纯度的校正参数（图 2）。

图 2：与不使用 DPD 的单音输出（左图）相比，使用 DPD（右图）可显著减少谐波成分并提高整体频谱纯度。（图片来源：Analog Devices）

ADMX1001B 将这些生成的参数作为波形配置文件存储在非易失性存储器中，最多可存储 15 个配置文件，用于单音、带 DPD 的单音、双音和直流波形，以及一个用于用户提供的任意波形配置文件（受限于 SoM 的 27 kHz 输出滤波器的带宽约束）。通过硬件或软件控制重新加载这些配置文件，用户可以在设备测试期间快速在不同波形类型之间切换，而不会影响信号纯度。

在测量方面，ADMX1001B 集成了模拟前端 (AFE)，具有七个可编程测量范围。设置适当的测量量程可以防止削波，并为 SoM 输入通道在 ±7.5 V 差分和 ±7 V 共模限制范围内的输入信号保持完整的动态范围。该信号路径还包括一个四阶抗混叠滤波器，可在信号被 24 位、256 千采样/秒 (kS/s) 的 ADC 转换之前对其进行调节（再次参见图 1）。由于该滤波器定义了可用的采集带宽，因此高频成分在到达 ADC 之前会被衰减。虽然该抗混叠滤波器可提供低至 -130 dB 的抑制，但采集通道的总动态范围可达 128 dB，典型 THD 为 -115 dB（满量程 1 kHz 输入信号）。

综合而言，这些信号生成和采集能力使 ADMX1001B 成为一个紧凑的仪器级模块，可用于提供高纯度激励和同步测量。为帮助开发人员充分利用这些功能，Analog Devices 提供了两款配套板卡，以便立即评估 ADMX1001B 的功能，并支持其作为即用型精密测试台的用途。

通过一站式测试台环境实现快速评估

Analog Devices 提供了一个完整的评估平台，将 ADMX1001B 与 EVAL-ADMX100X-FMCZ 评估板（图 3）和 SDP-H1 (EVAL-SDP-CH1Z) 控制器板结合在一起。这些电路板配合使用，形成了一个一站式即用环境，将 ADMX1001B SoM 与主机 PC 连接起来，提供电源和时钟，并为配置和测量提供模块的信号生成和采集路径。并开放模块的信号生成和采集路径以便进行配置和测量。

图 3：EVAL-ADMX100X-FMCZ 评估板提供访问 ADMX1001B 信号生成和采集路径所需的电源、信号路由和外部连接。（图片来源：Analog Devices）

在这种配置中，EVAL-ADMX100X-FMCZ 板是 ADMX1001B SoM 的主接口，ADMX1001B SoM 通过一个夹层连接器插入该板，用于配电和信号连接。输出端口 (OUTP/OUTN) 提供对超低失真信号源的访问，而相应的差分输入端口 (AINP/AINN) 则支持 DPD 校准过程中使用的外部信号采集或回送配置。其他连接器还提供 DPD 检测路径、硬件触发和同步信号，以及用于生成、采集和校准工作流程的模式选择控制。

EVAL-ADMX100X-FMCZ 评估板通过 FMC 连接器连接到 SDP-H1 高速控制器板（图 4），后者提供从主机 PC 操作 ADMX1001B 所需的 USB 和高速并行接口。控制器板由专用的现场可编程门阵列 (FPGA) 和数字信号处理器组成，为评估板提供动力，并管理 USB 通信、配置传输、配置文件加载和高速采集。

图 4：将评估板连接到 SDP-H1 控制器板，即可完成 ADMX1001B 配置、波形生成和信号测量的一站式系统。（图片来源：Analog Devices）

Analog Devices 提供 ADMX100X 图形用户界面 (GUI) 软件工具，用于管理波形生成、DPD 训练和采集设置（图 5）。

图 5：带有 GUI 的软件工具有助于管理波形生成、采集控制和 DPD 校准。（图片来源：Analog Devices）

通过软件工具，开发人员可以选择波形类型、调整音调参数、加载任意模式，并在已存储的配置文件之间进行切换。在训练 DPD 时，该工具会协调刺激生成、感应路径捕获和校正参数计算，并允许用户将配置文件保存到非易失性存储器中。该工具还可显示采集通道的测量范围和采样控制，用于时域捕捉、FFT 查看和从 ADC 输出样本。通过随时访问硬件设置，GUI 可简化设置并充分利用 ADMX1001B 的功能，实现精确的激励生成和测量。

结语

随着更先进的音频段转换器和混合信号系统不断涌现，典型的测试台配置通常会引入失真和可变性，从而限制性能测量的准确性和可重复性。Analog Devices 的集成波形生成和测量平台提供了表征高分辨率设备所需的超低失真和低噪声性能。借助这些功能，开发人员可以更有效地评估面向高保真应用的新一代音频段转换器和子系统。