采用双通路 ADC 架构实现低噪声宽带信号采集

诸如飞行时间质谱 (TOF-MS)、分布式光纤传感、光学相干断层扫描和高速示波器等时域仪器应用，均需要从直流 (DC) 到几千兆赫兹 (GHz) 频率的精密信号采集功能。鉴于模数转换器 (ADC) 的固有噪声，传统高速数字转换器架构在测量精度方面存在根本性限制，迫使设计人员在精度和宽带采集之间做出权衡取舍。

本文简要介绍时域仪器设计人员面临的数字化挑战，然后介绍 Analog Devices 的高性能数字转换器，并说明设计人员如何使用这种电路板及其配套开发资源，顺利完成方案的落地与部署。

宽带数字化的挑战如何影响时域仪器

各类时域仪器应用对宽带的精密数字化有着共同的要求。以 TOF-MS 为例（图 1），数字化奠定了样品鉴定基础。本例中，样品产生的离子穿过飞行管中保持的真空环境时会被加速，并根据其各自的质荷比达到不同的速度。具有相同质荷比的每个离子团都会以几百皮秒 (ps) 的窄脉冲形式到达探测器。

图 1：在 TOF-MS 中，加速到相同动能的离子会根据质量以不同的速度移动，较轻的离子会先到达检测器，这样就可以根据飞行时间直接计算质量。（图片来源：Analog Devices）

TOF-MS 依靠其高性能 ADC 子系统，对脉冲信号进行可靠的数字化处理并确定其峰值；该峰值代表每个离子团的到达时间，因此也代表该类型离子的质量。由于每个采样点对于峰值判定来说都至关重要，因此 ADC 子系统需要以每秒千兆采样 (Gsamples/s) 的采样速率采集到足够的采样点。

高速示波器和分布式光纤传感面临着类似的精确、高带宽信号测量要求。高速示波器需要在保持直流基线保真度的同时，准确捕捉快速瞬态。分布式光纤传感系统同样需要在从近 DC 到数千兆赫兹的整个测量带宽范围内，以低噪声进行宽带进行采集。

这些应用和其他应用所面临的挑战，是如何确保宽带宽和精密测量，即使在较低频率下也要确保这一性能。在较低频率下，1/f 噪声也会降低射频 (RF) ADC 的性能。这类 ADC 专门针对射频信号采集进行了优化，具有所需的带宽，但在低于 1/f 拐点的低频段，会出现较高的 1/f 噪声（图 2）。

图 2：ADC 的固有 1/f 噪声在低于 1/f 拐点的频段时会增加，从而限制了测量精度。(图片来源：Analog Devices）

噪声会随着频率的降低而增加，导致信噪比 (SNR) 降低并增加低频测量不确定性；即使 ADC 在千兆赫频率下性能优异，上述缺陷依然存在。精密 ADC 通过斩波稳定、自动清零和相关双采样等结构特性最大限度地降低了 1/f 噪声，这些特性优先考虑低频精度而非宽带性能，因此无法在 GHz 带宽下使用。

Analog Devices 的 ADMX6001-EBZ 评估板采用了全新的双通路 ADC 架构，以解决这一根本性权衡难题。

ADMX6001 双通路架构如何实现宽带精度

ADMX6001-EBZ 评估板是一款 DC 耦合、10 吉采样/秒 (Gsps) 数字转换器，也是定制型低噪声、高带宽精密数字转换器的完整参考设计。该评估板通过双通路了架构解决了带宽与精度之间的权衡难题，由一个针对宽带采集进行了优化的高速 ADC 通路、一个针对低频精度进行了优化的精密 ADC 通路构成。通过组合来自这两条通道的数据，该开发板可补偿高速 ADC 中的 1/f 噪声，从而在从 DC 到 5 GHz 频段内保持精确的信号数字化。

高速通路以 Analog Devices 的 AD9213 12 位射频 ADC（图 3）为中心，其采样速度可达 10 Gsps。AD9213 基于多级、差分、流水线 ADC 内核，具有输出纠错能力，旨在提供宽瞬时带宽和低转换误差率。为确保最大带宽和确定的输出延迟，其输出级集成了 16 通道 JESD204B 接口。除了提供每秒 16 千兆比特 (Gbits/s) 的线路速率外，输出级还采用了标准 JESD204B 机制，以保持 AD9213 的输出与主机控制器的 JESD204B 输入之间的确定性延迟。

图 3：AD9213 集成了多级、差分、流水线 ADC 内核，具有输出纠错能力和 16 通道 JESD204B 接口，支持高达 16 Gbits/s 的线路速率。(图片来源：Analog Devices）

这款 ADC 具有准确采集高频信号所需的高动态性能。在采样率为 10 Gs/s、输入频率为 1000 MHz、相对于满量程为 -1 分贝 (dBFS) 的条件下，AD9213 的信噪比为 55.8 dBFS，无杂散动态范围 (SFDR) 为 70 dBFS（典型值）。此外，该转换器在 100 MHz 至 6 GHz 以上的输入频率范围内，都能保持出色的 SNR 和 SFDR（图 4），从而满足了对宽带精度的要求。

图 4：AD9213 可在 100 MHz 至 6 GHz 以上的输入频率范围内保持高 SNR 和 SFDR 性能，具有时域仪器所需的宽带采集能力。(图片来源：Analog Devices）

精密通路采用 Analog Devices 的 AD4080，这是一款 20 位、每秒 40 兆采样率 (Msps) 的差分逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，集成了事件检测、数字滤波器和双输入采样器，可确保在高采样率下进行精密转换。该转换器的输出级可通过一个同时支持串行外设接口 (SPI) 和低压差分信号 (LVDS) 输出的接口，直接访问转换结果和 16,384 个先入先出 (FIFO) 采样点。与 AD9213 一样，AD4080 提供各种集成功能，旨在帮助确保与主机控制器保持一致，并考虑系统传播延迟。AD9213 提供所需的带宽，而 AD4080 则提供所需的低频精度。在 1 千赫兹 (kHz) 频率下，AD4080 实现了 93.6 dB SNR 和 -110.2 dB 总谐波失真 (THD)（图 5）。

图 5：在 1 kHz 时，AD4080 实现了 93.6 dB SNR 和 -110.2 dB THD，充分展现了其低频测量精度，可与 AD9213 的宽带采集能力形成性能互补。(图片来源：Analog Devices）

ADMX6001-EBZ 开发板可满足时域仪器处理不同 DC 电平的单端、单极或双极输入信号的需要。除了用于单端到差分转换的高速 ADC 驱动器外，精密数模转换器 (DAC) 还为 ADC 驱动器提供偏置，以实现可调节的 DC 偏置量，从而最大限度地提高 AD9213 的高速动态范围。这一功能在 TOF-MS 等应用中至关重要，因为在这些应用中，适当的 DC 偏置量调节可确保 ADC 的全动态范围适用于脉冲离子信号。

利用配套电路板和软件加快评估和开发工作

Analog Devices 设计的 ADMX6001-EBZ 评估板可与 AMD/Xilinx 的 VCU118 (EK-U1-VCU118-G) 评估套件配合使用（图 6）。该套件基于高性能现场可编程门阵列 (FPGA)，可提供采集并融合双通道数据流所需的资源和处理能力。在正常数字化操作中，ADMX6001-EBZ 评估板通过增强型高吞吐量 FPGA 夹层卡 (FMC+) 高速串行引脚连接器 (HSPC) 与 VCU118 连接，并使用小型台式风扇冷却， 确保运行持续稳定运行。

图 6：ADMX6001-EBZ 评估板通过高吞吐量 FMC+ HSPC 连接器与 VCU118 套件连接，为评估双通路数字化性能构建了一个完整的硬件平台。（图片来源：Analog Devices）

在 VCU118 的 FPGA 阵列中，实例化的知识产权内核（IP 内核）与存储模块，实现了两路相互独立的高速 JESD204B 接口与 LVDS 接口，可满足分别接收来自高速 AD9213 与精密 AD4080 的双路数据流的需求。这两个数据流在传输到系统存储器进行后续融合和特定应用处理之前，都会送入 FPGA 存储器缓冲区。

为了评估 ADMX6001-EBZ 评估板和信号数字化，Analog Devices 提供了 IIO 示波器图形用户界面 (GUI) 工具和全面的 PyADI-IIO Python 库。IIO 示波器工具是一个跨平台图形用户界面，用于交互式修改电路板设置、采集数据和绘制结果图。例如，要启用 AD9213 的 DC 耦合模式，设计人员可通过 IIO 示波器工具的面板（图 7）指定器件（本例中为 AD9213）、相关的寄存器（此处为 0x1617）及其值 (0x1)。

图 7：IIO 示波器 GUI 支持直接访问寄存器，以配置 ADC 的工作模式；本图展示了通过向 0x1617 号寄存器写入数值 0x1，启用 AD9213 的 DC 耦合模式。（图片来源：Analog Devices）

PyADI‑IIO 库为板卡功能提供了应用程序编程接口 (API)，其核心围绕一个名为 Hammerhead 的 Python 类构建；该类可将板卡初始化为默认设置，并提供抽象化底层操作的方法，用于设置偏置量、从各 ADC 采集数据以及绘制结果。

诸如 PyADI-IIO 库的 ADMX6001_acquisition.py 脚本等示例代码，演示了将这些方法用于更复杂评估序列的基本设计模式。例如，要对不同 DC 偏置量的输入信号进行数字化，设计人员需要从 ADMX6001_MultiClass_pCal 模块中导入 Hammerhead 类，并创建一个实例。设计人员只需使用该实例的方法编写几行代码，即可评估 ADMX6001-EBZ 评估板在不同 DC 偏移量下采集采样点的能力（清单 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')

清单 1：正如 PyADI-IIO 库中的代码片段所示，设计人员只需几行代码就能评估 ADMX6001-EBZ 评估板在不同 DC 偏移量下采集采样点的能力。(代码来源：Analog Devices）

在三种 DC 偏移量设置下（0 毫伏 (mV)、200 mV 和 -200 mV），对同一输入信号采集的数据进行绘图，显示了 ADMX6001-EBZ 评估板调整输入偏置量，以优化高速 ADC 动态范围利用率的能力（图 8）。

图 8：在三种直流偏置量设置下（0 mV、200 mV、-200 mV）从同一输入信号采集数据的图，显示了 ADMX6001-EBZ 评估板调整输入偏置量，以优化高速 ADC 动态范围利用率的能力。(图片来源：Analog Devices）

将这两种工具组合在一起，可以加速评估和开发。IIO 示波器图形用户界面提供了验证不同寄存器设置、不同采集选项的快速互动方式，而 PyADI-IIO 库则可以实现更复杂的操作序列。

结语

仪器应用需要从 DC 到几千兆赫频率的精确数字化，迫使设计人员在宽带采集和低频精度之间进行权衡。Analog Devices 的 ADMX6001-EBZ DC 耦合 10 GSPS 数字转换器评估板，通过双通路架构解决了这一权衡问题。该电路板与 FPGA 开发套件、软件工具搭配使用，提供了一个评估平台和完整的参考设计，加快了针对高要求时域应用的精密宽带数字转换器的开发速度。

参考文献：

1. ADMX6001-EBC 产品演示视频
2. ADMX6001-EBZ HDL 项目（参考设计）