W poniższym artykule przedstawimy i omówimy na konkretnym przykładzie opcję pomiarową APx ADC TEST będącą rozszerzeniem analizatora APx555B. 

APxADC jest rozszerzeniem zbalansowanego złącza generatora, pozwalającą na generację sygnału audio z nałożonym skalibrowanym napięciem offsetu DC. Funkcja ta służy do testowania urządzeń pracujących na pojedynczym napięciu zasilania, gdy wejścia wymagają napięcia polaryzacji o wartości ½ VDD. Wymagania te będą potrzebne w niektórych kodeksach audio oraz przetwornikach analogowo cyfrowych stosowanych w urządzeniach mobilnych. 

Założenia pomiaru przetwornika ADC

Do zaprezentowania sekcji generatora APx555B oraz funkcji APxADC wykorzystany zostanie układ CS47L90 firmy Cirrus Logic. Układ ten oferuje konfigurowalne wejścia analogowe oraz PDM przeznaczonych odpowiednio do sygnału liniowego oraz mikrofonów typu MEMS.

Pod względem samej kompatybilności połączenia analizator Audio Precision APx555B umożliwia jednoczesne użycie generatora analogowego oraz cyfrowego, w tym przypadku za pośrednictwem modułu APx PDM. Artykuł w całości poświęcony modułom PDM dostępny jest tutaj: Pomiary mikrofonów MEMS - rejestracja sygnału PDM w analizatorach Audio Precision.

Rys. 1 - Ustawienia generatora dla sygnału PDM i zbalansowanego wyjścia analogowego.

Konfiguracje podłączeniowe

Pomiary z sygnałem analogowym

W tej konfiguracji przetestujemy dwa kanały analogowe z bezpośrednim sprzężeniem DC na układzie:

• Wejście 1, skonfigurowane jako zbalansowane wejście mikrofonowe niskopoziomowe, z wzmocnieniem +26 dB umożliwiającym uzyskanie pełnej skali (0 dBFS) przy 50 mV rms
• Wejście 2, skonfigurowane jako niezbalansowane wejście mikrofonowe wysokopoziomowe, z wzmocnieniem 0 dB umożliwiającym uzyskanie pełnej skali (0 dBFS) przy 500 mV rms

Rys. 2 - Schemat podłączenia analizatora APx555B i badanego konwertera.

Pomiary z sygnałem analogowym i PDM

Generator w APx555 może być używany jednocześnie z dowolnym cyfrowym modułem pomiarowym, takim jak PDM lub TDM (moduł DSIO). Generator to analogowy oscylator pracujący niezależnie od modułów cyfrowego, co umożliwia jego działanie podczas aktywności wyjścia PDM. Analogicznie analizowanie sygnału, również może być prowadzone przez sekcję analogową i moduł cyfrowy jednocześnie.

Użycie generatora PDM i zarejestrowanie odpowiedzi w  formacie TDM przez moduł DSIO, umożliwia zweryfikowanie samego toru, do którego podłączony zostanie mikrofon MEMS. Takie testy mogą wychwycić szumy i zakłócenia pochodzące z samego toru a nie czujnika.

W przypadku tych pomiarów, wcześniejsza konfiguracja analogowego źródła zbalansowanego i niezbalansowanego, rozszerzona została o kanał 3 i 4 odpowiadający stereofonicznemu wejściu mikofonu MEMS, zgodnie z poniższych schematem i zdjęciem.

Rys. 3 - Schemat oraz zdjęcie podłączenia analizatora z badanym obiektem.

Pomiary ADC z bezpośrednim sprzężeniem DC

Pomiary w układzie DC-coupled umożliwiają charakteryzację pełnego zakresu działania wejść analogowych, oraz zachowania się przetwornika przy pobudzeniu niskim zakresem częstotliwości, które trudno zmierzyć przy użyciu kondensatora sprzęgającego AC. Takie pomiary wymagają zastosowania napięcia polaryzacji ustawionego na ½ VDD. APx555B zapewnia to, ustawiając VBias na +0,9 V.

Pomiary wzmocnienia, poziomu i zniekształceń THD+N

Panel pomiarowy oprogramowania APx500  w trybie Bench Mode przedstawiony na Rys. 4 , pokazuje  sinusoidalne sygnały o amplitudzie 50 mV (Ch1) i 500 mV (Ch2), przyłożone do wejść zbalansowanego oraz niezbalansowanego, dajce pełnoskalowy poziom wyjściowy bliski 0 dBFS (pomiar RMS Level). Uzyskano wzmocnienie 26 dBFS/Vrms (x20) dla Ch1 oraz 0 dBFS/Vrms (x1) dla Ch2, poziomy DC bardzo bliskie 0 oraz zniekształcenia THD+N poniżej −80 dB (w FFT widoczne głównie jako zniekształcenia harmoniczne 2. i 3. rzędu oraz szum). W tym przykładzie napięcie VBias dostosowano do +0,918 V, aby osiągnąć minimalne przesunięcie DC w pomiarze dla kanału niezbalansowanego.

Rys. 4 - Tryb Bench Mode oprogramowania APx500 - prezentujący wyniki dla pomiarów: Gain, Level i THD+N DC level, Peak level i Frequency.

Częstotliwość odcięcia filtra górnoprzepustowego

Bezpośrednie połączenie DC do wejść analogowych ułatwia testowanie charakterystyki opadania filtra górnoprzepustowego przy niskich częstotliwościach. Schemat podłączenia został przedstawiony na poniższym rysunku.

Rys. 5 - Schemat podłączenia generatora analogowego APx555B do badanego obiektu.

Filtry górnoprzepustowe w zakresie niskich częstotliwości nie powinny być mierzone przy użyciu standardowych kondensatorów sprzęgających AC (obecnych na płycie ewaluacyjnej), ponieważ stała czasowa kondensatora 1 µF wpłynie na wynik pomiaru. W przypadku usunięcia kondensatora sprzęgającego konieczne jest zastosowanie napięcia VBias.

Rys. 6  przedstawia wyniki pomiarów odpowiedzi częstotliwościowej przy użyciu sygnału typu sweep) w układzie DC-coupled. Filtr górnoprzepustowy badanego urządzenia został ustawiony na każde z dostępnych ustawień HPF, a krzywe przesuwania zostały dołączone do wykresu dla każdego ustawienia. Oprogramowanie APx500 w zależności od potrzeb potrafi zresetować wyniki lub nakładać je na ten sam wykres w celu porównania. Wszystkie ustawienia filtra wykazały tłumienie mniejsze niż −3 dB przy częstotliwości odcięcia. Napięcie VBias równe ½ VDD umożliwia bezpośrednie sprzężenie wejść, co pozwala na dokładne pomiary bez użycia kondensatora blokującego DC.

Rys. 6 - Wykres odpowiedzi częstotliwościowej filtrów górnoprzepustowych, uzyskanych w oprogramowaniu APx500.

Pomiary zakresu dynamicznego wejścia jednobiegunowego (DC-coupled) z przesuwaniem VBias

Zakres dynamiczny (DNR) na niezbalansowanym wejściu analogowym można zmierzyć jako funkcję przesunięcia DC. W tym celu przyłożony zostaje sygnał sinusoidalny o niskim poziomie i  zniekształceniu (−60 dBFS, 500 μVrms). Po podaniu sygnału wykonywany jest pomiar z użyciem funkcji “Stepped Level Sweep Vbias” która w sposób krokowy przesuwa wartość Vbias w ustalonym zakresie. W tym przypadku pomiar rozpoczynał się od wartości 0 i dążył do Vdd z krokiem 5 mV.

Rys. 7 - Panel zarządzania funkcją Stepped Level Sweep Vbias.

Dla filtra górno i dolno przepustowy, zmierzona został poziom parametru THD+N, w funkcji zmian VBias.Wyniki przedstawione zostały na poniższym wykresie. Wykres pokazuje optymalną wydajność przy VBias około 0,9 V (½ VDD) oraz nieliniowe zachowanie dla wartości poniżej 0,2 V i powyżej 1,645 V.

Rys. 8 - Wyniki pomiaru THD+N z wykorzystaniem funkcji Stepped Level Sweep Vbias.

Pomiary zakresu dynamicznego wejścia różnicowego (DC-coupled) z przesuwaniem VBias

Analogicznie, zakres dynamiczny dla wejścia zbalansowanego można zmierzyć przy użyciu tej samej metody. W tym wypadku przyłożony został sygnał sinusoidalny o niskim zniekształceniu (−60 dBFS, 1,0 mVrms). Mierzony jest poziom zniekształceń THD+N przy zastosowaniu filtrów górno (20Hz) i dolnoprzepustowych (20kHz).  

Pomiary wykonuje się dla wartości napięcia VBias od −0,4 V do VDD w krokach 5,0 mV. Wynikiem jest wykres DNR w funkcji VBias (poniższy Rys.9 ), który wykazuje najlepsze parametry przy VBias już od −0,4 V do 1,6 V; dla wartości zbliżających się do VDD zniekształcenia zaczynają rosnąć.

Rys. 9 - Wyniki pomiaru THD+N z wykorzystaniem funkcji Stepped Level Sweep Vbias.

Podsumowanie

W powyższym artykule przedstawiona została funkcjonalność rozszerzenia APx ABD testo mode, stanowiącej opcjonalne rozszerzenie analizatora APx555B. Wszystkie powyższe pomiary wykonane zostały przy wykorzystaniu oprogramowania APx500, będącego platformą zarządzającą wszystkimi analizatorami Audio Precision.