Strumenti virtuali per l’analisi e la compensazione degli errori di convertitori D/A

Author(s):
M. Grossi - UNIVERSITA' DI ROMA "LA SAPIENZA"
A. Lampasi - UNIVERSITÀ DI ROMA “LA SAPIENZA”
L. Podestà - UNIVERSITÀ DI ROMA “LA SAPIENZA”

Industry:
Research

Products:
LabVIEW

The Challenge:
Migliorare le caratteristiche di un convertitore D/A e la qualità dei segnali generati da esso, attraverso opportune elaborazioni dei segnali, senza l’utilizzo di dispositivi hardware aggiuntivi.

The Solution:
È stato realizzato un toolbox di applicazioni NI LabVIEW in grado di generare segnali tramite un convertitore D/A, analizzare le non-idealità in uscita e compensare queste ultime tramite un opportuno algoritmo digitale, indipendentemente dalla struttura interna del convertitore e del sistema in cui esso opera.

Un convertitore D/A (DAC) è un sistema elettronico in grado di generare segnali analogici partendo da sequenze digitali. Da un punto di vista metrologico, la principale caratteristica di un DAC è l’accuratezza con cui il convertitore riesce a riprodurre il segnale desiderato senza distorsioni. Se in ingresso al convertitore viene codificato un segnale sinusoidale puro a frequenza fissata, l’uscita dovrà contenere lo stesso segnale senza ulteriori componenti in frequenza. Di conseguenza, in questo tipo di analisi, i parametri fondamentali per valutare le prestazioni di un DAC sono definiti nel dominio della frequenza, per esempio attraverso il THD (Total Harmonic Distortion) o lo SFDR (Spurious-Free Dynamic Range): il primo consiste nel rapporto tra le componenti armoniche e la fondamentale, mentre il secondo valuta il margine presente tra la componente di segnale e la più ampia componente di disturbo.
Questo articolo presenta una tecnica, interamente implementata in NI LabVIEW, basata sulla compensazione delle componenti spettrali indesiderate, in grado di migliorare le caratteristiche di un DAC e quindi la purezza spettrale dei segnali analogici generati da esso. La tecnica può essere applicata a qualunque tipo di D/A (o di A/D), per esempio, a schede di acquisizione multi-funzione. Comunque, nel seguito si illustrerà una particolare applicazione che fa uso di schede audio commerciali per PC. Questo perché tali schede rappresentano un tipico esempio di sistemi di generazione ed acquisizione a basso costo, ma anche poiché, per la loro vasta diffusione, consentono un approccio generale al problema, anche in chiave didattica.

L’algoritmo di compensazione
Le armoniche calcolate nella sezione di acquisizione vengono rimosse attraverso un algoritmo di pre-distorsione del segnale digitale in ingresso al DAC. In pratica, il VI di generazione sovrappone al segnale originale una serie di sinusoidi di opportuna ampiezza e fase. Proprio la stima di questi due ultimi parametri è uno dei punti critici del VI. Infatti, spesso la compensazione “matematica” (direttamente derivata dalla FFT del segnale) non risulta essere la migliore. Per questo motivo, l’approccio che è risultato più vantaggioso è quello iterativo, che consiste nella correzione di una componente spettrale alla volta. È stato dimostrato che il metodo proposto può migliorare lo SFDR di un sistema debolmente non lineare anche di decine di dB.

Generazione ed acquisizione di segnali tramite schede audio

La generazione dei segnali sinusoidali con gli eventuali termini correttivi viene effettuata esclusivamente via software tramite un’interfaccia NI LabVIEW semplice ed intuitiva (Fig. 1). La relativa sezione del pannello frontale contiene i controlli necessari affinché il convertitore della scheda audio generi il segnale in esame insieme ai controlli sul volume del sistema operativo. In questo modo, è possibile regolare direttamente la tensione del segnale in uscita dalla scheda audio, che il programma riporta alla codifica digitale e al volume equivalenti. I controlli sul volume si rendono necessari anche perché essi influiscono in modo rilevante sulle distorsioni del convertitore, a causa delle non linearità dei componenti presenti nelle sezioni di amplificazione delle schede. Di conseguenza, il livello del volume deve essere tale da rendere trascurabili le distorsioni introdotte dai componenti elettronici diversi dai convertitori. Analogamente, è possibile impostare gli altri parametri della generazione; per esempio, la frequenza fondamentale (limitatamente al campo in cui la scheda audio è in grado di lavorare), in quanto da essa dipendono i criteri per la compensazione.
Secondo le caratteristiche dell’hardware utilizzato, l’acquisizione e l’analisi dei segnali generati possono avvenire sullo stesso PC, eventualmente utilizzando un unico dispositivo per entrambe, o su due PC diversi. Infatti, la natura stazionaria del segnale da correggere e dell’algoritmo di compensazione non impone particolari vincoli di velocità nelle elaborazioni e nella comunicazione, per cui le sezioni di acquisizione, analisi e generazione possono anche far parte di VI diversi.
Per quanto riguarda il caso proposto, poiché solitamente le schede audio o i sistemi operativi che le gestiscono hanno difficoltà a regolare simultaneamente la sezione D/A e quella A/D, l’acquisizione e l’analisi del segnale avvengono su un altro PC sempre tramite scheda audio sfruttando il protocollo DataSocket.
L’analisi e la visualizzazione del segnale acquisito, la stima delle componenti indesiderate ed il calcolo dei parametri spettrali (THD e SFDR) dalla conversione sono basati sulla FFT. Ai fini di un risultato ottimale, tali grandezze devono essere costantemente aggiornate durante la fase di compensazione.

Miglioramenti ottenuti
Fig. 2 mostra che utilizzando i VI proposti è possibile migliorare le prestazioni di un convertitore D/A a bordo di una scheda audio standard. Gli stessi risultati possono essere ottenuti su altri tipi di convertitori, integrati in qualsiasi ambiente hardware o piattaforma. Ovviamente, la qualità dei risultati ottenuti dipende dalle caratteristiche dell’A/D utilizzato per l’acquisizione. Tuttavia, recentemente sono stati proposti in letteratura semplici schemi ad anello che consentono di implementare la compensazione anche disponendo di A/D di caratteristiche inferiori. Infine, è importante sottolineare che, una volta che si siano determinati i parametri correttivi, il D/A può funzionare in maniera autonoma. Per esempio, è possibile salvare su file audio le sequenze che forniscono basse distorsioni ed utilizzarle come suoni campione puri.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
A. Lampasi
UNIVERSITÀ DI ROMA “LA SAPIENZA”
alessandro.lampasi@uniroma1.it

Browse All Case Studies »