インダストリ AE46:デジタイザのフロントエンド信号調整の適切な使用

はじめに:

Spectrum M4i.44xx A/Dボードモジュラーデジタイザ (A/Dボード) およびFigure 1に示すSpectrum製M4iシリーズなどの測定機器は、さまざまな信号特性を内部アナログデジタルコンバータ(ADC)の固定入力範囲に一致させる必要があります。また、デジタイザ (A/Dボード) のフロントエンドは、テスト対象のデバイスの負荷を最小限に抑え、適切な結合を提供する必要もあります。さらに、ブロードバンドノイズの影響を軽減するためにフィルタリングが必要になる場合があります。これらの機能はすべて、入力とADC間のすべての回路を含む機器の「フロントエンド」によって提供されます。デジタイザ (A/Dボード) のユーザは、これらの機器を効果的に使用するために必要なトレードオフを理解する必要があります。

Figure 2に、この例で使用されるSpectrum M4iシリーズモジュラーデジタイザ (A/Dボード) のブロック図を示します。各入力チャンネルには独自のフロントエンド(緑色の網掛け)があり、独立してセットアップできます。 フロントエンドは、レンジ選択とバンド幅制限フィルタリングとともに、適切な入力結合と終端を提供します。

M4i.44xxのブロック図

 

フロントエンド機能:

モジュラーデジタイザ (A/Dボード) の汎用性を最大化するには、フロントエンド回路に次の機能が必要です。

1.整合インピーダンスを提供する入力終端の選択、または高インピーダンス入力での負荷の最小化。
2.必要に応じてACまたはDC結合を提供する結合モードの選択。
3.ノイズを最小限に抑え、存在する場合は高調波成分を減らすためのフィルタリング。
4.複数の入力範囲により、入力信号レベルの幅広い変動をキャプチャする能力を提供し、同時にノイズと歪みを最小限に抑えて信号の整合性を維持する。
5.精度を最大化するための内部キャリブレーション。

 

入力終端:

測定器はソースを適切に終端する必要があります。ほとんどの無線周波数(RF)測定では、これは通常50Ω終端です。終端を一致させることは、反射による信号損失を最小限に抑えます。50Ω終端の性能指数は、リターンロスまたは電圧定在波比(VSWR)です。これらの性能指数のいずれかは、インピーダンス整合の品質を示しています。

ソースデバイスの出力インピーダンスが高い場合、回路負荷を最小限に抑える1MΩの高インピーダンス終端と適切に一致します。1MΩの終端では、負荷インピーダンスをさらに増加させる高インピーダンスのオシロスコーププローブを使用することもできます。オーディオ用の600Ωなど、他の標準終端とのインピーダンス整合は、外部の600Ω終端と組み合わせた1MΩ終端を使用することで実現できます。利便性とシグナルインテグリティの間で選択可能な入力インピーダンスを使用した設計には、技術的なトレードオフがあるため、一部のモジュラーデジタイザ (A/Dボード) のサプライヤは50Ω終端のみを提供します。高インピーダンス終端または高インピーダンスと50Ωの両方が必要な場合は、メーカーが提供していることを確認する必要があります。Spectrum製 M4iシリーズは、最高レベルの信号品質を維持しながら、ユーザが入力終端を選択できるように設計されています。

 

入力カップリング:

測定器の入力カップリングにより、測定器をソースにACまたはDCで結合できます。DCカップリングは、DCオフセット(ゼロ以外の平均信号)を含む信号全体を示します。ACカップリングは、定常状態の平均値(DC)を除去します。ACカップリングは、DC電源の出力のリップル測定などの測定に役立ちます。ACカップリングがないと、DC出力には大きな信号減衰が必要になり、リップルの正確な測定が難しくなります。ACカップリングでは、より高い入力感度を使用できるため、リップル成分の測定が向上します。ACカップリングの主要な仕様は、AC結合周波数応答の低周波数カットオフ(-3 dBの低いポイント)です。これにより、ACカップリングによって低周波信号がどの程度減衰されるかが決まります。また、回復時間にも関連しています。回復時間とは、機器に適用されるDCレベルが変化した後、入力レベルが安定するまでの時間です。一般に、カットオフ周波数が低いほど、結合コンデンサが大きくなり、整定時間が長くなります。

一部のモジュラーデジタイザ (A/Dボード) は、ACカップリングまたはDCカップリングのみを提供し選択できません。繰り返しますが、これは、固定カップリングのデジタイザ (A/Dボード) がリレーやスイッチなどのコンポーネントを扱う必要がないため、複雑さを軽減するためのエンジニアリング上のトレードオフです。また、アプリケーションは固定または選択可能なカップリングが許容されるかどうかを決定します。選択可能なカップリングは、測定のニーズが変化した場合により柔軟に対応できます。

 

入力電圧レンジ:

通常、デジタイザADCの入力レンジは固定されています。最も単純なインタフェースは、ADCに一致する固定入力レンジを持つ単一の入力を持つことです。シンプルではありますが、これは、単一の範囲が使用したい範囲でない限り、測定器ではあまり実用的ではありません。入力信号の振幅をADCの範囲内に収めるには、減衰器または増幅器が必要です。減衰器は、一般に抵抗性の単純な分圧器であり、入力信号の振幅を低減します。 高品質のコンポーネントを使用して設計した場合、通常、信号の完全性が大幅に低下することはありません。減衰器が信号経路にあるときに現れる問題の1つは、機器の内部ノイズ振幅がフロントエンド減衰に伴っM4i.44xxのフロントエンドて(減衰器の入力に対して)スケーリングすることです。したがって、ノイズレベルが58μV rmsのデジタイザ (A/Dボード) があり、10:1の減衰器を追加すると、入力を基準としたノイズレベルは580μVのレベルとなります。 ノイズレベルは、減衰されたフルスケール範囲の相対的な割合と同じです。

一方増幅器は別の話です。適切に設計されていても、一般に信号経路にノイズが混入します。これは、デジタイザ (A/Dボード) の内部ノイズが入力を基準としたときに増幅器のゲインによって減少するという事実によってわずかに補償されます。また、アンプは歪み積を発生させる可能性があり、これにより信号の完全性がさらに低下します。アンプのもう1つの制限は、ゲイン帯域幅積が固定されていることです。ゲインを上げようとすると、帯域幅は比例して低下する必要があります。これは、帯域幅が減少する高感度範囲で確認できます。

入力電圧レンジの選択は、信号品質に大きな影響を与える可能性があるため、モジュラーデジタイザ (A/Dボード) 設計の重要な領域です。同時に、利用可能な信号振幅をデジタイザ (A/Dボード) の入力範囲に一致させることで、ユーザに大きな柔軟性を提供します。サプライヤは、このトレードオフを処理するためのさまざまなアプローチを提供します。入力範囲を固定するものから、複数の入力パスを提供するものまでさまざまです。複数の入力パスは、入力範囲と終端に関して最大限の汎用性を提供する「バッファ」パスと、より少ない入力範囲と固定50Ω終端で最高の帯域幅と最高の信号品質を提供する「50Ω」高周波(HF)パスを組み合わせます。

HFとバッファパスの比較Figure 3のブロック図は、デュアル入力パスを含むSpectrum製M4i.44xxモジュラーデジタイザ (A/Dボード) のアーキテクチャを示しています。HFパスは、最高の信号品質で最大の帯域幅を提供するように最適化されています。バッファ付きパスは、入力電圧範囲の選択肢を増やすことにより、最大限の汎用性を提供します。ユーザは、測定要件に最適な入力パスを選択できます。

Table 1に、14ビット、500 MS/sバージョン(M4i.445x)の各パスの特性の比較を示します。

Figure 4は、デジタイザ (A/Dボード) の500 mVレンジの256ステップのランプに対するHFパスとバッファパスの応答の比較を示しています。この図では、各パスの単一のステップを見ています(重ならないように、各パスに隣接するステップが選択されていることに注意してください)。バッファードパスのピークツーピークノイズは、HFパスよりも高いことに注HFとバッファパス応答の違い意してください。HFパスの設計は、ノイズを最小限に抑えるように最適化されており、バッファパスの2倍の帯域幅があるにもかかわらず、ノイズがはるかに小さくなっています。

この性能に対して支払われる価格は、利用可能な入力範囲の数の減少と、50Ω終端を使用する必要性です。バッファリングされたパスに相当するもののみを提供するモジュラーデジタイザ (A/Dボード) を選択すると、ノイズレベルが「スタック」することに注意してください。これらの波形のヒストグラムを見ると、Figure 5に示すように、HFパスの平均についての広がりは、バッファパスのそれよりも小さいことがわかります。これは、HFパスの変動またはノイズが少ないことを意味します。

この現象の尺度は標準偏差です。 この例では、HFパスの標準偏差は0.125 mVですが、バッファパスの標準偏差は0.183 mVです。これにより、同じ入力信号の2つの信号パス間のノイズレベルの差を量子化できます。両方の応答には、信号源およびデジタイザ (A/Dボード) からのノイズ成分も含まれていることに注意してください。HFのより高い信号品質の利点は、両方の入力信号パスを使用してデジタイザ (A/Dボード) によHFとバッファパスヒストグラムって取得された正弦波の周波数スペクトルにも見られます。これをFigure 6に示します。

ここでは、各入力パスを介して取得した信号の高速フーリエ変換(FFT)を示しています。カーソルは、スペクトルのピークとスプリアスのピークをマークします。 HFパスのスプリアスフリーダイナミックレンジは80.9 dBで、バッファ付きパスは60.7 dBです。 また、HF信号経路の場合、ノイズのベースラインが低いことに注意してください。

 

 

HFとバッファパス周波数スペクトル

 

信号品質の改善に関するいくつかの所見:

どの信号経路を選択したとしても、最高の信号品質を得るための一般的なルールがいくつかあります。1つ目は、可能な限り最大の入力範囲を使用することです。信号の振幅が安定している場合、その範囲の少なくとも90%を使用する入力範囲を選択します。ADCをオーバードライブしないでください。フルスケール範囲を超えると、歪みやクリッピングが発生し不要な高調波が生成され、信号の完全性が低下します。デジタイザ (A/Dボード) で帯域幅制限フィルタを使用できる場合、ノイズを減らすのに役立ちます。この記事で使用するデジタイザ (A/Dボード) には、フロントエンドにアナログ20 MHzローパスフィルターがあり、デジタイザ (A/Dボード) の帯域幅を制限するために切り替えることができます。入力信号に20 MHzを超える信号がない場合、フィルタを使用すると、20 MHzを超えるノイズを減らすことにより、集録の信号対ノイズ比が改善されます。

 

内蔵キャリブレーション:

Spectrum製のすべてのモジュラーデジタイザ (A/Dボード) は、出荷前に工場で校正されています。モジュラーデジタイザ (A/Dボード) は、PCの電源電圧や温度などの変動があるPC環境に組み込まれるため、このデジタイザ (A/Dボード) のソフトウェアドライバーは、すべての入力範囲の自動オンボードオフセットおよびゲイン(バッファ信号パスのみ)キャリブレーションのルーチンを提供します。バッファされた信号経路の各デジタイザカードには、高精度の内蔵キャリブレーションリファレンスが含まれています。

これは、環境の変化や経年変化にもかかわらずデジタイザ (A/Dボード) のキャリブレーションを維持するのに役立つ優れた機能です。デジタイザ (A/Dボード) が動作し、安定した動作温度に達するのに十分な時間が経過してからキャリブレーションを実行することをお勧めします。通常、これは10~15分かかります。

 

まとめ:

モジュラーデジタイザ (A/Dボード) のフロントエンドは、正確で再現性のある測定を保証するために必要なすべての機能を提供する必要があります。複数の入力範囲、AC / DCカップリング、フィルタリング、および内蔵キャリブレーションはすべて、信号の完全性と精度を最大限に高めるのに役立ちます。適切に設計されたフロントエンドにより、ユーザは入力信号を適切に調整し、オーバードライブせずに可能な限り多くのADC範囲をカバーすることができます。 そうすることで、デジタイザ (A/Dボード) は最高の測定精度と品質を達成できます。

—————————————————————-

原文ドキュメント:Spectrum Instrumentation社

an_optimizing_digitizer_performance_by_proper_front_end_signal_conditioning.pdf

Proper Use of Digitizer Front-End Signal Conditioning

 

関連製品

M4i.4421ボード

M4i.4421-x8:250MHz A/D ボード (PCIe)

M4i.4451-x8:500MHz 高速A/D ボード (PCIe)

M4i.4471-x8:180MHz A/D ボード (PCIe)

 

Spectrum Instrumentation社について

Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。最も一般的な業界標準(PCIe、LXI、PXIe)で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。

ダウンロードする
お問い合わせ

資料請求や説明のご依頼は、
お電話またはフォームよりお気軽にご連絡ください。

042-538-7650

受付時間 平日9:00~17:00 (土日祝日休業)