數(shù)字串?dāng)_在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的作用：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號串?dāng)_對時鐘的影響

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時鐘信號的串?dāng)_會導(dǎo)致難以診斷的問題。這個晦澀難懂的問題不同于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號進(jìn)入模擬信號路徑的串?dāng)_，后者是第1部分的主題。在更深層次上理解這種不同的串?dāng)_問題是有價值的，因此設(shè)計工程師可以更有效地理解和排除具有此類問題的電路。閱讀本文后，讀者將了解數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號到時鐘的串?dāng)_如何引起諧波失真和其他信號相關(guān)誤差問題。

從數(shù)據(jù)信號到時鐘的串?dāng)_

在第2部分中，我們了解到耦合到時鐘信號上的噪聲看起來是正弦的，并且與輸入信號的頻率相同。有了這種理解，當(dāng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘發(fā)生串?dāng)_時，頻域中會發(fā)生什么就變得更加清晰。如第1部分所述，來自ADC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號包含其采樣和表示的模擬信號諧波處的能量。當(dāng)來自該信號的能量耦合到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘時，它將在模擬信號的諧波處產(chǎn)生噪聲（以抖動的形式）。當(dāng)該時鐘對后續(xù)模擬信號進(jìn)行采樣時，模擬信號將以相同信號的速率進(jìn)行有效的相位調(diào)制。這會在采樣信號周圍產(chǎn)生與模擬信號頻率相距的邊帶，這看起來與諧波失真沒有區(qū)別。

我們將通過一些示例模擬來模擬一個簡單的正弦波。如本系列文章的第1部分所示，數(shù)字位具有依賴于輸入信號的模式。例如，MSB是輸入信號速率下的方波，如圖1所示。

圖1.頻率為 4（每個樣本集的周期）的正弦波和產(chǎn)生的數(shù)字位。

我們可以在頻域中查看這些信號。最容易理解的是MSB，它是與模擬信號頻率相同的方波。該MSB方波的能量與模擬輸入信號和奇次諧波的基波速率相同，如圖2所示。請注意，如果模擬信號上有任何直流偏移，甚至?xí)霈F(xiàn)諧波，這將使MSB接近比50%占空比方波更像脈沖。

圖2.頻率為4的正弦波的MSB及其頻域含量：

當(dāng)該位通過串?dāng)_耦合到時鐘上，改變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣位置時，邊帶在基頻處與模擬信號相距一定距離，并出現(xiàn)奇次諧波頻率，如圖3所示。再次注意，如果模擬信號上有直流偏移，甚至?xí)霈F(xiàn)諧波。

圖3.頻率為4的純正弦波，以及具有1%串?dāng)_的相同正弦波的MSB到時鐘上。

作為另一個示例，我們將模擬 5 的頻率，其中高次諧波混疊模式與基波和低次諧波不在同一頻率上。圖4顯示了頻率為5的正弦波的MSB頻域模式。圖5顯示了這種通過串?dāng)_耦合到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘信號上的影響。請注意，遵循相同的一組模式。

圖4.頻率為5的正弦波的MSB及其頻域含量。

圖5.頻率為4的純正弦波，以及具有1%串?dāng)_的相同正弦波的MSB到時鐘上。

診斷和解決問題

以下是處理嘈雜時鐘問題的一些快速提示。最大的關(guān)鍵是快速診斷您的問題是由時鐘抖動還是其他原因引起的。

在本系列文章的第1部分中，我們提到時鐘抖動的影響與模擬信號相對于時間的斜率成正比。您可以利用這一點，通過以不同的頻率和模擬幅度水平執(zhí)行測試來查看是否存在抖動問題。在觀察不同的頻率時，抖動問題通常可以預(yù)測地產(chǎn)生一種效應(yīng)，該效應(yīng)將隨頻率成比例增加（即，輸入頻率的 2 倍會產(chǎn)生 2 倍大的邊帶）。相比之下，雖然大多數(shù)諧波失真問題隨著頻率的升高而變得更糟，但很少有像抖動效應(yīng)那樣具有完全成比例的依賴性。同樣，在模擬幅度電平變化中，抖動效應(yīng)將使信號與抖動引起的噪聲/失真/邊帶之間的比率相等，而與模擬電平無關(guān)（例外情況是，如果較低的模擬信號產(chǎn)生較低的位活動，這可以減少抖動，從而降低噪聲）。相反，模擬諧波失真通常會隨著輸入電平的降低而降低其比率效應(yīng)。

作為利用上述現(xiàn)象的實用技巧，以盡可能高的模擬頻率進(jìn)行實驗以夸大效果。如果您的系統(tǒng)允許，將輸入信號明顯增加到ADC的奈奎斯特速率之外是一種可以接受的，并且非常有用的技術(shù)可以夸大效果。

理想情況下，您可以使用示波器或某些儀器測量時鐘上的抖動。然而，大多數(shù)示波器的性能不足以看到可能導(dǎo)致大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)出現(xiàn)問題的低電平抖動。一種可用于查看時鐘噪聲的常用儀器是頻譜分析儀。在頻譜分析儀上，時鐘應(yīng)該只看起來像基波和奇次諧波。其他任何東西都是噪聲/抖動。如果時鐘可以處于靈活的頻率，則再次以盡可能高的頻率運行它。原因是雖然時鐘上的皮秒抖動通常與時鐘的頻率無關(guān)，但頻譜分析儀測量的時鐘上顯示的邊帶會更高，頻率時鐘更高，皮秒抖動量相同，這使得它們更容易看到。

要發(fā)現(xiàn)ADC中非數(shù)字信號位串?dāng)_引起的抖動問題，一種非常有用的技術(shù)是將模擬輸入頻率設(shè)置為相同速率的諧波，這將使信號混疊為直流。如果時鐘上有抖動，噪音將仍然存在。

為了解決和/或解決這些問題，設(shè)計人員需要對時鐘信號采取與模擬信號類似的預(yù)防措施;將其與其他數(shù)字邏輯或任何其他可能具有其他頻率內(nèi)容的東西分開。不要通過包含任何活動的 FPGA 運行時鐘。如果在設(shè)計限制范圍內(nèi)，請將所有時鐘電路保留在單獨的電源上，或者至少保持非常濾波和/或穩(wěn)壓的電源。有時，將時鐘電路放在自己的接地層上可能是合適的（但是，了解返回電流及其影響對于使用多個接地層進(jìn)行有效設(shè)計是必要的）。使用差分時鐘可以顯著提供幫助。

結(jié)論

模擬信號上的位的數(shù)字串?dāng)_會產(chǎn)生抖動，從而產(chǎn)生諧波失真或其他噪聲效應(yīng)，這些效應(yīng)可能很難與模擬諧波失真或噪聲效應(yīng)區(qū)分開來。但是，了解這些影響、它們?nèi)绾伪憩F(xiàn)以及它們在不同條件下如何變化，可以幫助設(shè)計人員規(guī)劃快速有效的調(diào)試策略，以確定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘上的串?dāng)_是否是設(shè)計人員問題的原因。

審核編輯：郭婷