Flex II ADCテクノロジ:PXI-5922オシロスコープに搭載された可変分解能テクノロジ

PXI-5922は、さまざまなサンプリングレートでデータを収集し、アプリケーションのニーズに応じてさまざまな分解能を実現できる可変分解能オシロスコープです。たとえば、最大500 kS/sのサンプリングレートでは、PXI-5922は24ビットの分解能を実現します。この同じモジュールを変更せずに使用すると、分解能を犠牲にすることでサンプリング速度を高め、16ビット分解能で15 MS/sでサンプリングできます。図1は、このオシロスコープの周波数-分解能曲線です。

可変分解能と高ダイナミックレンジを備えたPXI-5922は、ダイナミック測定用の初の汎用計測器です。デジタルマルチメータ (DMM) が電圧、電流、抵抗などのDC測定の汎用測定デバイスとして使用されるのと同じように、PXI-5922はAC測定に革新をもたらし、多くの計測器の測定機能を1台に統合します。最大15 MS/sのサンプリングレートで優れた性能を発揮するこのオシロスコープをNI LabVIEWなどの強力なソフトウェアと組み合わせることで、オーディオアナライザ、スペクトラムアナライザ、IFオシロスコープ、DCおよびrms電圧計、周波数カウンタなど、従来の多くの計測器の測定機能を置き換えることができます。

オーディオ、通信、超音波などの多くのアプリケーションでは、極めて高いダイナミック性能が要求されます。従来の計測器は、徐々に性能を高めてきましたが、分解能とダイナミックレンジの要件を満たすことはできませんでした。一方、PXI-5922は、図2に示すように、ダイナミックレンジと分解能がこれまでになく拡張されています。このグラフは、従来の計測器とNIのデータ収集およびモジュール式計測デバイスの周波数 (信号がデジタル化される速度) と分解能 (信号を集録する確度) をプロットしたものです。

PXI-5922は、他の仮想計測器と同様に、強力なホストコンピュータを利用して複雑なアルゴリズムベースの線形化とキャリブレーションを実行し、温度ドリフトと非線形誤差を排除しています。従来の計測器にコンピュータを組み込むことは可能ですが、これらの計測器の開発サイクルは長いため、これまでは最新の計算能力を組み込むことは不可能でした。対照的に、仮想計測器はコンピュータの処理能力が向上すると、増加した処理能力を直ちに活用することができます。

他のPCベースのオシロスコープがPXI-5922の分解能を提供できないのは、ほとんどの製造元がコンポーネントベンダが販売するADCに依存しているためです。現在、PXI-5922の広範な性能に匹敵するADCは市販されていません。PXI-5922の前例のない性能は、次世代の可変分解能ADCであるFlex II ADCによって可能になり、その一部はNIが設計した完全カスタムのアナログASICに実装されています。

PXI-5922オシロスコープの中心となるのは、27 GHzバイポーラプロセスで構築された次世代の可変分解能変換器Flex II ADCです。本セクションでは、強化されたマルチビットデルタシグマ変換器であるFlex II ADCのアーキテクチャについて説明します。

シングルビットデルタシグマADCの概要

図3は、通常、変調器とデジタル信号プロセッサ (DSP) で構成される単純なシングルビットデルタシグマADCのブロック図を示しています。

シングルビット変調器は、フィードバックループ内の減算ノード、ループフィルタ、1ビットADC、1ビットDACで構成されています。ADCとDACは、必要なサンプリングレートよりもはるかに高いレートでオーバーサンプリングされます。このオーバーサンプリングの結果、量子化ノイズがより広い帯域幅に分散され、他のADCアーキテクチャと比較してノイズフロアが低くなります。この効果を図4および図5に示します。

アナログ入力信号は、減算ノードを介してアナログループフィルタに送られます。このフィルタは、低周波数では高ゲイン、高周波数では低ゲインとなります。この固有の特性により、ローパスフィルタとなります。内部ADCからの量子化ノイズは、ループフィルタのゲインに反比例します。その結果、量子化ノイズはフィードバックループでハイパスフィルタ処理されます。この手法は「ノイズシェーピング」と呼ばれ、図6に示します。

量子化ノイズの分散が変化します。このようなノイズ分散の利点は、ほとんどのノイズが高周波数に集中することです。この高周波ノイズは、DSPでローパスフィルタを適用することで、デジタル領域で簡単に除去できます。その後、信号はデシメーション (ダウンサンプリング) されますが、オーバーサンプリングされているため、情報が失われることはありません。図7は、デシメータの効果を示します。

可変分解能Flex II ADC - 完全カスタムのアナログASIC

Flex II ADCは、強化されたマルチビットデルタシグマADCです。シンプルなシングルビットデルタシグマADCトポロジと比較して、優れた性能を実現する主な機能強化の内容:

• 変調器に搭載されたマルチビットADCおよびDAC
• デジタル線形化とキャリブレーション
• 時間連続ループフィルタ

図8は、機能強化されたデルタシグマADCであるFlex II ADCのブロック図を示します。

変調器に搭載されたマルチビットADCおよびDAC

ほとんどの高周波数ノイズを除去することにより、シングルビットデルタシグマADCは高ダイナミックレンジを実現します。ただし、シングルビットデルタシグマADCの大きな欠点は、低周波数で動作するため、さまざまな高周波数アプリケーションで使用できないことです。

シングルビットデルタシグマADCの周波数制約問題の解決策は、同じ基本原理を拡張してマルチビットデルタシグマADCを作成することです。理論上、マルチビットデルタシグマADCはシングルビットADCと同じレベルのダイナミックレンジを、より高い周波数で達成できます。ただし、マルチビットデルタシグマADCでは、これまで克服することが困難であった非線形性が生じます。

PXI-5922は変調器内に6ビットADCおよびDACを搭載した6ビットデルタシグマで、それぞれが120 MS/sのオーバーサンプリングレートで動作します。マルチビット変換器によって生じる非線形性は、特許取得済みの線形化技術を使用することで大幅に低減され、高周波数で前例のないダイナミックレンジを実現します。

デジタル線形化とキャリブレーション

変調器内部のフィードバックループの優れた特性は、エラーを抑制する機能です。残念ながら、これはループのフィードバックパス内のエラーには適用されません。そのため、DACでの変換誤差は減少せず、変調器からの変換の質に直接影響します。DACは、次の2つの方法で総合的に変換品質を低下させます。

• 出力のアナログノイズ
• 非線形性

ノイズ性能はASICの設計によって制御されますが、要求される線形性の処理はより困難です。

図9に示す単純な2ビットDACを考えてみましょう。DACコンバータは、3つのスイッチ (S1-S3) で制御される3つの電流発生器 (I1-I3) で構成されています。結果として生じる出力電流Ioutは、閉じているスイッチの数によって異なります。電流値が異なる場合、図9に示すように、DAC伝達関数は非線形になります。変換器が理想的に動作するには、3つの電流発生器が同じでなければなりません。さらに、スイッチS1-S3は同時に動作する必要があります。

DACの最適な実装は集積回路であり、電流値とスイッチング時間の可能な限り最良の整合が保証されます。残念ながら、必要な性能を1つのチップで実現することは不可能です。

チップでの整合を強化する従来のアプローチは、たとえば、レーザーウエハトリミングによって回路を調整することです。ただし、パッケージング、経年変化、温度変化により、整合が低下します。さらに、トリミングによりチップの製造コストは大幅に増加します。

これらの問題を回避するために、PXI-5922では別の手法を採用します。避けられない整合の誤差は、DSPによってデジタル的に補正されます。NIの特許取得済みの可変分解能テクノロジを使用すると、電流誤差とタイミング誤差はセルフキャリブレーション中に回路内で取得されるため、ウェーハレベルで整合するよりも最適です。

誤差パラメータの取得には、NIの可変分解能テクノロジが使用されます。セルフキャリブレーション中に純粋なアナログ正弦波信号が変換器に印加され、ホストPCで実行される複雑なアルゴリズムにより、変換器のデジタル応答から誤差が抽出されます。

時間連続ループフィルタ

Flex II ADCに内蔵されているループフィルタは、従来の実装で使用されていた標準のスイッチトキャパシタフィルタとは異なり、時間連続 (TC) です。TCの実装は、精密な受動素子を必要とするため、オンチップでの統合が困難です。ただし、TC実装はエイリアシングの影響を受けにくいため、変調器の内部ノイズ源はエイリアシングを起こしてパスバンドで蓄積されません。その結果、変換器のノイズが減少し、分解能が向上します。もう1つの重要な利点は、変換器のエイリアスのない動作によって高周波数のスイッチングノイズが除去されるため、オシロスコープのノイズの多い環境に簡単に変換器を組み込みできることです。

これらの強化機能をチップに組み込むことは不可能であり、従来コンバータテクノロジを推進してきたコンポーネントベンダは、同様の性能を提供することができません。

単なる高分解能ADCではありません

高性能ADCの使用に加えて、性能のボトルネックを引き起こさないフロントエンドを使用することが重要です。PXI-5922は、高性能Flex II ADCを最大限に活用するための世界最高レベルのアナログフロントエンドを搭載し、オシロスコープを解放して比類のない性能を提供します。

入力アンプは、ソフトウェアで50 Ωと1 MΩの入力インピーダンスが選択できます。50 Ω入力は正しいBNCケーブル終端を提供し、周波数応答が重要なアプリケーションで有用です。1 MΩ入力モードは、飽和または線形性の低下なしでは50 Ωを駆動できないソースで役立ちます。

オシロスコープには、1 Vと5 Vの入力レンジの選択が可能なプログラマブルゲイン計装アンプ (PGIA) が搭載されています。

同期とメモリコア

PXI-5922は、Synchronization and Memory Core1 (SMC) アーキテクチャに基づいて構築されており、SMCの重要な機能であるT-Clockを使用して、PXI-5922モジュールを他のSMCベースのモジュール式計測器と緊密に同期できます。この同期機能は、信号発生器、高速デジタル波形発生器/アナライザ、オシロスコープなどのミックスドシグナルテストシステムを構築する際に重要です。さらに、SMCアーキテクチャは、PXI-5922オシロスコープでチャンネルあたり最大256 MBのオンボードメモリを搭載できます。

PXI-5922は、市販されているオシロスコープの中で、最もダイナミックレンジが広い製品です。このオシロスコープの周波数-分解能曲線の大部分において、これ以上の性能を持つADCまたはデジタル化計測器はありません。同様に、PXI-5922よりも優れたダイナミック性能を持つ信号発生器はありません。これには2つの大きな意味があります。第一に、このオシロスコープを使用すると、オシロスコープの帯域幅内の周波数で、ほとんどのDACを特性評価することができます。第二に、PXI-5922の特性評価に十分な純度の正弦波を生成できるソースがありません。この課題は、線形性、SFDR、SINADなどを測定する革新的な手法を使用することで克服されました。本セクションでは、いくつかの標準的な性能プロットを用いて、PXI-5922の性能を実証します。

線形性とSFDR

単一の正弦波入力では、非線形性は周波数領域で高調波として出現します。ADCの高調波 (つまり線形性) をテストするには、それより優れた線形性のソースが必要です。性能に一致するソースがないため、PXI-5922の直線性性能を検証することは困難です。したがって、アクティブローパスフィルタ処理を使用して、理想的でない正弦波によって生成された高調波を減衰する必要がありました。

図12は、PXI-5922でサンプリングレート200 kS/s、5 V入力レンジで取得したフルスケール5 V_p正弦波のスペクトル応答を示します。スペクトルには-120 dBを超えるスプリアス成分が含まれていないため、-120 dBcのスプリアスフリーダイナミックレンジ (SFDR) が得られます。

スペクトルに存在する低周波ノイズはソースに由来することに注意してください。30 kHzを超える周波数では、ソースのノイズはフィルタによって減衰されます。スペクトルで見える、残されているノイズはアクティブフィルタによるもので、ソース由来ではありません。

上記の方法は、100 kHz未満の周波数で有効です。より高い周波数での線形性の検証には、十分な線形性を持つアンプを見つけるのが難しいため、アクティブフィルタを使用することはできません。より高い周波数でPXI-5922の線形性を検証するために、任意波形発生器を使用して理想的でない正弦波を生成するのとは異なる手法を用いました。線形ノッチフィルタによる基本的な減衰により、発生器からの高調波を正確に検出することができました。次に、発生器に送られるデジタルパターンを変えることで、発生器から高調波が反復して除去されました。

図13は、周波数の関数としてのPXI-5922の典型的なSFDRを示します。PXI-5922を使用して、5 V範囲で10 MS/sのサンプリングレートで振幅4 Vの純粋な正弦波が得られました。高調波成分は、1 MHzまでのすべての周波数で-100 dBc未満でした。

SINAD

線形性と同様に、PXI-5922の低ノイズに匹敵するノイズ性能を持つソースを見つけることはできません。図14のグラフは、任意波形発生器を使用して振幅5 Vの1 kHz正弦波を生成し、PXI-5922を使用して5 V範囲で100 kS/sのサンプリングレートで取得したものです。次に、出力は低インピーダンス抵抗分圧器で1/10,000に減衰されます。減衰により、発生器の固有ノイズが80 dB減少し、PXI-5922の真のノイズ性能が明らかになりました。信号の振幅が小さい (500 µV) にもかかわらず、信号はクリーンに見えます。

ノイズ性能を評価する別の方法は、入力に信号を印加せずにデータを収集することです。図15は、サンプリングレート10 MS/sのFFTのノイズフロアを示します。DCから4 MHzまでのスペクトルの累積パワーは、フルスケールに対して-95 dBです。これは、16 ENOB (有効ビット数) にほぼ相当します。また、システムにスプリアスノイズ成分がないことにも注目してください。周波数スペクトルのノイズの不均一な分布は、前述のように変調器の量子化ノイズシェーピングが原因で発生します。

アンチエイリアス保護

PXI-5922には、図16の周波数応答概念図に示すように、サンプリングレートの0.4倍のエイリアスフリー帯域幅を持つアンチエイリアスフィルタが搭載されています。

図17と図18は、オシロスコープのアンチエイリアス保護を示します。フルスケールの600 kHz正弦波が2 MS/sのサンプリングレートで集録されました。図17に示すように、600 kHzの信号は予想と同じ周波数で表示されます。ただし、サンプリングレートが1MSトポロジ/sに低下すると、ナイキスト定理に違反し、図18に示すように600 kHzの信号はパスバンドで400 kHzに戻ります。アンチエイリアスフィルタにより、このエイリアス成分は100 dB減衰されます。

PXI-5922は、特許取得済みの技術と完全カスタムのアナログASICであるFlex II ADCを使用して、市販のオシロスコープの中で最高の分解能と最大15 MS/sのダイナミックレンジを提供します。PXI-5922は可変分解能機能と高いダイナミック性能を持つ、ダイナミック測定用の汎用計測器です。この汎用計測器にソフトウェアを組み合わせることで、多くの従来の計測器の測定機能を置き換えることができます。

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• PXI-5922オシロスコープの詳細を調べ、細かい仕様を確認、アクセサリを選択、新しいオシロスコープを購入する
• NIのオシロスコープの全ラインナップを参照して、アプリケーションに適したものを選択する
• オシロスコープの操作と性能の基本については、「計測器の基本シリーズ」を参照