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摘要：數字電子系統(tǒng)使我們的生活豐富多彩，但數字時鐘信號也扮演著“反面角色”，即傳導噪聲源(通過電纜)或電磁輻射干擾(EMI)。由于潛在的噪聲問題，電子產品需要經過相關標準的測試，以確保符合EMI標準。汽車電子產品除了存在EMI兼容性外，還要考慮其他諸多問題，為了簡化設計，擴頻(SS)振蕩器逐漸成為汽車電子儀表、駕駛員與乘客輔助電子產品開發(fā)的關注焦點。
高品質的多媒體、音頻、視頻及無線系統(tǒng)在當今的汽車電子產品中所占的份額越來越大，設計人員不得不考慮分布在這些子系統(tǒng)敏感頻段的射頻(RF)能量。對于高品質的無線裝置，是否能夠消除RF峰值能量直接決定了方案的有效性。
多年以來，無線通信產品利用“頻率調節(jié)”技術避免電源開關噪聲的影響，這種無線裝置能夠與供電電源進行通信，使電源按照指令改變其開關頻率，將能量峰值搬移到調諧器輸入頻段以外。在現代汽車電子產品中，隨著干擾源數量的增多，很難保證系統(tǒng)之間的協同工作，這種情況由于設備天線的多樣化以及對新添子系統(tǒng)放置位置的限制變得更為復雜。
擴頻振蕩器在數字音頻、工廠裝配、免提裝置等系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢，這些系統(tǒng)一般采用編解碼器改善音頻質量，編解碼器與蜂窩電話或其它信息處理終端之間通過數字接口連接，如果利用“抖動”(擴頻)振蕩器作為編解碼器的時鐘源，能夠在非靜音情況下消除諧波噪聲。這種技術在采用了開關電容編解碼器的多媒體系統(tǒng)中很常見。除了抑制諧波噪聲外，SS振蕩器能夠將能量峰值降至噪聲基底以內，在無線跳頻網絡中可減小落入信道內的干擾。
下一代汽車電子產品中，幾乎所有的子系統(tǒng)都傾向于利用SS時鐘技術改善系統(tǒng)性能，降低EMI。針對這種應用，Maxim/Dallas推出了全硅振蕩器，這種振蕩器能夠可靠啟振，而且具有抗震性。其成本與陶瓷諧振器相比極具競爭力，振蕩頻率從幾千赫茲到幾十兆赫茲。
系統(tǒng)中的其它信號(位于數據或地址總線上的信號)按照與時鐘同步的頻率刷新，但數據刷新動作發(fā)生在不確定的時間間隔，彼此之間不相關。由此產生的噪聲頻譜占有較寬的頻帶，噪聲幅度也遠遠低于時鐘產生的噪聲幅度。雖然這些信號產生的總噪聲能量遠遠高于時鐘噪聲能量，但它對EMI測試的影響非常小。EMI測試關注的是最高頻譜功率密度的幅度，而不是總輻射能量。
實際應用中可以通過濾波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指標。但是，增加濾波器和屏蔽會提高系統(tǒng)的成本，精確的線路板布局需要花費很長時間。解決EMI問題的另一途徑是直接從噪聲源(通常是時鐘振蕩器)入手，產生隨時間改變的時鐘頻率可以很容易地降低基波和諧波幅度。
時鐘信號的能量是一定的，頻率變化的時鐘展寬了頻譜，因而也降低了各諧波分量的能量。產生這種時鐘的簡單方法是用三角波調制一個壓控振蕩器(VCO)，所得到的時鐘頻譜范圍隨著三角波幅度的增大而增大。實際應用中需合理選擇三角波的重復周期，三角波頻率較低時會通過電源向模擬子系統(tǒng)產生耦合噪聲；如果選擇頻率過高三角波，則會干擾數字電路。
圖1是基于上述考慮的時鐘振蕩器原理圖，它用一個三角波控制VCO輸出頻譜的帶寬，VCO的中心頻率由DAC和可編程8位分頻器控制，可以在260kHz至133MHz范圍內設置頻率。圖1所示IC通過2線接口控制，控制字存儲在芯片內部的EEPROM內，如果預先將頻率設置在所希望的頻點，該器件可以工作在單機模式，也可以在其空閑周期內更新頻率，這也是它在低功耗應用中的一個優(yōu)勢。
圖1 DS1086可編程時鐘發(fā)生器的核心電路是受三角波控制的VCO，頻率通過2線接口編程，存儲在片內EEPROM內。
圖2給出了普通晶振與擴頻時鐘振蕩器的頻譜對照圖，通過設置三角波的幅度可以將頻譜擴展4%，與晶體時鐘振蕩器相比峰值幅度降低近25dB。
圖2. 晶體振蕩器頻譜與DS1086頻譜對照，頻譜擴展4%時相差25dB。
利用擴頻振蕩器作為微處理器的時鐘源時，須確認微處理器能夠接受時鐘占控比、上升/下降時間以及其他由于時鐘源頻率變化所造成的參數容差。當振蕩器作為系統(tǒng)的參考時鐘使用時(實時時鐘或實時監(jiān)測等)，頻率變化可能導致較大誤差。
許多便攜式消費類產品帶有射頻功能，如蜂窩電話，擴頻技術對于這類產品中的開關電源非常有利。射頻電路(特別是VCO)對于電源噪聲非常敏感，但便攜式產品為了延長電池的使用壽命必須使用開關電源，以提供高效的電壓轉換。開關電源具有與時鐘振蕩器相同的噪聲頻譜，而且，噪聲可以直接耦合到射頻電路，影響系統(tǒng)的性能指標。
帶有外同步功能的升壓轉換器(如MAX1703)可以用一個擴頻時鐘控制它的振蕩頻率，該方案與自激振蕩升壓轉換器的噪聲頻譜(圖3)相比能夠改善系統(tǒng)性能(圖4)。自激振蕩升壓轉換器諧波在整個10MHz范圍內都具有較大的能量，而擴頻方案則將諧波分量的幅度降低到噪聲基底以內(圖4)。值得注意的是，由于總噪聲能量是固定的，擴頻后使噪聲基底有所上升。
圖3. MAX1703升壓轉換器頻譜顯示：基波位于300kHz (自激振蕩開關頻率)，在高達10MHz的整個頻段內有明顯的諧波。
圖4. 將MAX1703升壓轉換器同步到一個擴展頻譜，可以消除尖峰頻譜，是整體噪聲基底升高。
為時鐘源加入抖動之前，需要考慮以下幾個問題：需要采用何種“加抖”波形？所允許的最大時鐘偏移是多少？需要多大的抖動速率？限制抖動速率的因素是什么？以下就這些問題展開討論。
相應的調制理論給出了抖動波形與頻譜結果之間的簡單關系，即：時鐘頻率的“概率密度函數”與抖動時鐘輸出的頻譜具有相同的形狀，鋸齒波是一種常見的“加抖”波形，每個加抖周期可以準確地進入每個頻點兩次。由于每個頻點出現的時間比例相同，因此，概率密度函數在整個頻率調節(jié)范圍內隨著頻率的變化而保持一個常數，得到均勻概率的分布(圖1)。
這種抖動波形的頻譜相同，頻譜能量均勻地分布在一個較窄的頻段，對于所允許的(Fmax - Fmin)頻率范圍來說，這種頻譜分布是最佳的，因為它在每個頻點所得到的頻譜能量是最低的。
這種頻譜也可以利用偽隨機頻率抖動器獲得，這種方式通常是產生一個長序列的頻率，并以一定的間隔重復，每個頻點在一個周期只出現一次，所得到的概率密度分布也是均勻的，與三角抖動器相同。這種方式通常用于其他領域。
以下觀點有助于理解擴頻頻譜的能量：1、從單音到抖動時鐘的轉換不會改變時鐘能量，只是加抖后單音時鐘的能量被分布在一個較寬的頻帶內。2、周期性“加抖”時鐘的頻譜由以“加抖”頻率(Fd)為間隔的諧波組成。下式將單音功率均分到整個抖動諧波頻段：
VRMS (dB) = 20log[sqrt({(F0 * a)/Fd}*Vu2)]
= 10log[{(F0 *a)/Fd }]+ 20log[Vu ],
式中：F0是加抖之前的頻率，a是相對于非抖動頻率的抖動系數，Vu是抖動時鐘頻帶內每個頻譜的RMS電壓。由此可以得到窄帶頻段內頻譜能量的衰減為：
頻譜衰減 = 10log[{(F0 *a)/Fd}].
上述方程表明：在允許的抖動時鐘帶寬(a*F0)內產生的頻譜諧波分量越多，頻譜的能量就越低。作為一個例子，我們可以考察一下DS1086可編程時鐘發(fā)生器的抖動結構，DS1086電路中，a = 0.04, F0 = 100MHz, Fd = F0/2048，因此，DS1086的頻譜衰減為19.1dB。
注意，增大抖動系數(a)可以達到與降低“加抖”速率相同的目的。另外，該等式既適用于三角波加抖，也適用于偽隨機加抖，因為它們具有相同的分布。
產生抖動時鐘的電路也會限制“加抖”的速率，帶有鎖相環(huán)或其它控制環(huán)路(如DS1086)的系統(tǒng)，“加抖”控制電壓受控制環(huán)路帶寬的限制。否則，抖動控制的分布函數將轉變成高斯函數，所得到的頻譜能量將主要集中在非抖動時鐘頻率附近。
三角波抖動時鐘結構的主頻在其抖動速率處，而偽隨機抖動時鐘結構要求頻帶高于抖動模板的速率，頻率可以從最小值跳到最大值，而三角波模板中頻率是連續(xù)遞增的。環(huán)路帶寬與抖動速率之間存在以下近似的關系：
環(huán)路帶寬 > 3 (三角形模板速率)
環(huán)路帶寬 > 3 (偽隨機模板速率)
環(huán)路帶寬固定時，三角波模板能夠支持較高的抖動頻率。因為抖動速率必須比干擾(以頻率抖動形式出現)的窄帶檢測快，對于相同的檢測時間，三角波模板的抖動速率要比偽隨機模板更高一些。
抖動檢測時間直接影響了最低抖動速率，干擾信號的頻帶取決于具體應用，抖動頻率沒有一個確定的下限限制。對于抖動頻率下限的另一考慮是抖動速率本身產生的帶外噪聲。對于線性系統(tǒng)，三角波抖動器不會在抖動速率處產生諧波。但是，如果非線性電路拾取了時鐘信號，將會產生一些所不希望的頻譜成分，低抖動頻率被混頻后產生位于有效工作頻段的干擾信號。
擴頻技術并不用于取代傳統(tǒng)的EMI抑制技術，如：濾波、屏蔽和良好的線路板布局。該技術能夠從根本上改善系統(tǒng)的性能，特別是對于子系統(tǒng)或外設易受峰值能量干擾的設備。在汽車產品或家庭娛樂設備中能夠大大降低射頻/TV干擾。良好的PCB布局是系統(tǒng)正常運行的基本保障，擴頻時鐘則有助于系統(tǒng)通過EMI認證，而且可以減少系統(tǒng)對濾波、屏蔽的需求，降低系統(tǒng)成本。
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擴頻振蕩器在汽車電子設計中的優(yōu)勢
擴頻技術能夠很好地滿足FCC規(guī)范和EMI兼容性的要求，EMI兼容性的好壞在很大程度上依賴于測量技術的通帶指標。擴頻振蕩器從根本上解決了峰值能量高度集中的問題，這些能量被分布在噪聲基底內，降低了系統(tǒng)對濾波和屏蔽的需求，同時也帶來了其他一些好處。高品質的多媒體、音頻、視頻及無線系統(tǒng)在當今的汽車電子產品中所占的份額越來越大，設計人員不得不考慮分布在這些子系統(tǒng)敏感頻段的射頻(RF)能量。對于高品質的無線裝置，是否能夠消除RF峰值能量直接決定了方案的有效性。
多年以來，無線通信產品利用“頻率調節(jié)”技術避免電源開關噪聲的影響，這種無線裝置能夠與供電電源進行通信，使電源按照指令改變其開關頻率，將能量峰值搬移到調諧器輸入頻段以外。在現代汽車電子產品中，隨著干擾源數量的增多，很難保證系統(tǒng)之間的協同工作，這種情況由于設備天線的多樣化以及對新添子系統(tǒng)放置位置的限制變得更為復雜。
擴頻振蕩器在數字音頻、工廠裝配、免提裝置等系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢，這些系統(tǒng)一般采用編解碼器改善音頻質量，編解碼器與蜂窩電話或其它信息處理終端之間通過數字接口連接，如果利用“抖動”(擴頻)振蕩器作為編解碼器的時鐘源，能夠在非靜音情況下消除諧波噪聲。這種技術在采用了開關電容編解碼器的多媒體系統(tǒng)中很常見。除了抑制諧波噪聲外，SS振蕩器能夠將能量峰值降至噪聲基底以內，在無線跳頻網絡中可減小落入信道內的干擾。
下一代汽車電子產品中，幾乎所有的子系統(tǒng)都傾向于利用SS時鐘技術改善系統(tǒng)性能，降低EMI。針對這種應用，Maxim/Dallas推出了全硅振蕩器，這種振蕩器能夠可靠啟振，而且具有抗震性。其成本與陶瓷諧振器相比極具競爭力，振蕩頻率從幾千赫茲到幾十兆赫茲。
汽車電子產品的設計考慮
有效控制EMI是電子工程師在產品設計中所面臨的關鍵問題，數字系統(tǒng)時鐘是產生EMI的重要“源泉”，主要原因是：時鐘一般在系統(tǒng)中具有最高頻率，而且常常是周期性方波，時鐘引線長度通常也是系統(tǒng)布線中最長的。時鐘信號的頻譜包括基波和諧波，諧波成份的幅度隨著頻率的升高而降低。系統(tǒng)中的其它信號(位于數據或地址總線上的信號)按照與時鐘同步的頻率刷新，但數據刷新動作發(fā)生在不確定的時間間隔，彼此之間不相關。由此產生的噪聲頻譜占有較寬的頻帶，噪聲幅度也遠遠低于時鐘產生的噪聲幅度。雖然這些信號產生的總噪聲能量遠遠高于時鐘噪聲能量，但它對EMI測試的影響非常小。EMI測試關注的是最高頻譜功率密度的幅度，而不是總輻射能量。
實際應用中可以通過濾波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指標。但是，增加濾波器和屏蔽會提高系統(tǒng)的成本，精確的線路板布局需要花費很長時間。解決EMI問題的另一途徑是直接從噪聲源(通常是時鐘振蕩器)入手，產生隨時間改變的時鐘頻率可以很容易地降低基波和諧波幅度。
時鐘信號的能量是一定的，頻率變化的時鐘展寬了頻譜，因而也降低了各諧波分量的能量。產生這種時鐘的簡單方法是用三角波調制一個壓控振蕩器(VCO)，所得到的時鐘頻譜范圍隨著三角波幅度的增大而增大。實際應用中需合理選擇三角波的重復周期，三角波頻率較低時會通過電源向模擬子系統(tǒng)產生耦合噪聲；如果選擇頻率過高三角波，則會干擾數字電路。
圖1是基于上述考慮的時鐘振蕩器原理圖，它用一個三角波控制VCO輸出頻譜的帶寬，VCO的中心頻率由DAC和可編程8位分頻器控制，可以在260kHz至133MHz范圍內設置頻率。圖1所示IC通過2線接口控制，控制字存儲在芯片內部的EEPROM內，如果預先將頻率設置在所希望的頻點，該器件可以工作在單機模式，也可以在其空閑周期內更新頻率，這也是它在低功耗應用中的一個優(yōu)勢。
圖1 DS1086可編程時鐘發(fā)生器的核心電路是受三角波控制的VCO，頻率通過2線接口編程，存儲在片內EEPROM內。
圖2給出了普通晶振與擴頻時鐘振蕩器的頻譜對照圖，通過設置三角波的幅度可以將頻譜擴展4%，與晶體時鐘振蕩器相比峰值幅度降低近25dB。
圖2. 晶體振蕩器頻譜與DS1086頻譜對照，頻譜擴展4%時相差25dB。
利用擴頻振蕩器作為微處理器的時鐘源時，須確認微處理器能夠接受時鐘占控比、上升/下降時間以及其他由于時鐘源頻率變化所造成的參數容差。當振蕩器作為系統(tǒng)的參考時鐘使用時(實時時鐘或實時監(jiān)測等)，頻率變化可能導致較大誤差。
許多便攜式消費類產品帶有射頻功能，如蜂窩電話，擴頻技術對于這類產品中的開關電源非常有利。射頻電路(特別是VCO)對于電源噪聲非常敏感，但便攜式產品為了延長電池的使用壽命必須使用開關電源，以提供高效的電壓轉換。開關電源具有與時鐘振蕩器相同的噪聲頻譜，而且，噪聲可以直接耦合到射頻電路，影響系統(tǒng)的性能指標。
帶有外同步功能的升壓轉換器(如MAX1703)可以用一個擴頻時鐘控制它的振蕩頻率，該方案與自激振蕩升壓轉換器的噪聲頻譜(圖3)相比能夠改善系統(tǒng)性能(圖4)。自激振蕩升壓轉換器諧波在整個10MHz范圍內都具有較大的能量，而擴頻方案則將諧波分量的幅度降低到噪聲基底以內(圖4)。值得注意的是，由于總噪聲能量是固定的，擴頻后使噪聲基底有所上升。
圖3. MAX1703升壓轉換器頻譜顯示：基波位于300kHz (自激振蕩開關頻率)，在高達10MHz的整個頻段內有明顯的諧波。
圖4. 將MAX1703升壓轉換器同步到一個擴展頻譜，可以消除尖峰頻譜，是整體噪聲基底升高。
為時鐘源加入抖動之前，需要考慮以下幾個問題：需要采用何種“加抖”波形？所允許的最大時鐘偏移是多少？需要多大的抖動速率？限制抖動速率的因素是什么？以下就這些問題展開討論。
“加抖”波形
為確保時鐘信號能夠被系統(tǒng)所接受，時鐘抖動范圍一般比較小(<10%)。這樣，“加抖”過程與窄帶FM調制非常類似。相應的調制理論給出了抖動波形與頻譜結果之間的簡單關系，即：時鐘頻率的“概率密度函數”與抖動時鐘輸出的頻譜具有相同的形狀，鋸齒波是一種常見的“加抖”波形，每個加抖周期可以準確地進入每個頻點兩次。由于每個頻點出現的時間比例相同，因此，概率密度函數在整個頻率調節(jié)范圍內隨著頻率的變化而保持一個常數，得到均勻概率的分布(圖1)。
這種抖動波形的頻譜相同，頻譜能量均勻地分布在一個較窄的頻段，對于所允許的(Fmax - Fmin)頻率范圍來說，這種頻譜分布是最佳的，因為它在每個頻點所得到的頻譜能量是最低的。
這種頻譜也可以利用偽隨機頻率抖動器獲得，這種方式通常是產生一個長序列的頻率，并以一定的間隔重復，每個頻點在一個周期只出現一次，所得到的概率密度分布也是均勻的，與三角抖動器相同。這種方式通常用于其他領域。
頻譜衰減
考察一個抖動時鐘電路的好壞，主要是看窄帶頻譜中每個頻點的能量相對于單音時鐘能量降低了多少。本節(jié)推導出了一個用于優(yōu)化均勻擴展頻譜波形的關系式。以下觀點有助于理解擴頻頻譜的能量：1、從單音到抖動時鐘的轉換不會改變時鐘能量，只是加抖后單音時鐘的能量被分布在一個較寬的頻帶內。2、周期性“加抖”時鐘的頻譜由以“加抖”頻率(Fd)為間隔的諧波組成。下式將單音功率均分到整個抖動諧波頻段：
VRMS (dB) = 20log[sqrt({(F0 * a)/Fd}*Vu2)]
式中：F0是加抖之前的頻率，a是相對于非抖動頻率的抖動系數，Vu是抖動時鐘頻帶內每個頻譜的RMS電壓。由此可以得到窄帶頻段內頻譜能量的衰減為：
頻譜衰減 = 10log[{(F0 *a)/Fd}].
上述方程表明：在允許的抖動時鐘帶寬(a*F0)內產生的頻譜諧波分量越多，頻譜的能量就越低。作為一個例子，我們可以考察一下DS1086可編程時鐘發(fā)生器的抖動結構，DS1086電路中，a = 0.04, F0 = 100MHz, Fd = F0/2048，因此，DS1086的頻譜衰減為19.1dB。
注意，增大抖動系數(a)可以達到與降低“加抖”速率相同的目的。另外，該等式既適用于三角波加抖，也適用于偽隨機加抖，因為它們具有相同的分布。
抖動限制
實際應用中的一些因素會限制頻譜能量的衰減量，首先，由于抖動改變了系統(tǒng)定時，存在頻率不穩(wěn)定性，據此，系統(tǒng)定義了對參數“a”的限制。產生抖動時鐘的電路也會限制“加抖”的速率，帶有鎖相環(huán)或其它控制環(huán)路(如DS1086)的系統(tǒng)，“加抖”控制電壓受控制環(huán)路帶寬的限制。否則，抖動控制的分布函數將轉變成高斯函數，所得到的頻譜能量將主要集中在非抖動時鐘頻率附近。
三角波抖動時鐘結構的主頻在其抖動速率處，而偽隨機抖動時鐘結構要求頻帶高于抖動模板的速率，頻率可以從最小值跳到最大值，而三角波模板中頻率是連續(xù)遞增的。環(huán)路帶寬與抖動速率之間存在以下近似的關系：
環(huán)路帶寬 > 3 (三角形模板速率)
環(huán)路帶寬 > 3 (偽隨機模板速率)
環(huán)路帶寬固定時，三角波模板能夠支持較高的抖動頻率。因為抖動速率必須比干擾(以頻率抖動形式出現)的窄帶檢測快，對于相同的檢測時間，三角波模板的抖動速率要比偽隨機模板更高一些。
抖動檢測時間直接影響了最低抖動速率，干擾信號的頻帶取決于具體應用，抖動頻率沒有一個確定的下限限制。對于抖動頻率下限的另一考慮是抖動速率本身產生的帶外噪聲。對于線性系統(tǒng)，三角波抖動器不會在抖動速率處產生諧波。但是，如果非線性電路拾取了時鐘信號，將會產生一些所不希望的頻譜成分，低抖動頻率被混頻后產生位于有效工作頻段的干擾信號。
擴頻技術并不用于取代傳統(tǒng)的EMI抑制技術，如：濾波、屏蔽和良好的線路板布局。該技術能夠從根本上改善系統(tǒng)的性能，特別是對于子系統(tǒng)或外設易受峰值能量干擾的設備。在汽車產品或家庭娛樂設備中能夠大大降低射頻/TV干擾。良好的PCB布局是系統(tǒng)正常運行的基本保障，擴頻時鐘則有助于系統(tǒng)通過EMI認證，而且可以減少系統(tǒng)對濾波、屏蔽的需求，降低系統(tǒng)成本。
工商網監(jiān)
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