數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的串?dāng)_會(huì)導(dǎo)致難以診斷的問題。這個(gè)晦澀難懂的問題不同于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)入模擬信號(hào)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(jià)值的，因此設(shè)計(jì)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(hào)到時(shí)鐘的串?dāng)_如何引起諧波失真和其他信號(hào)相關(guān)誤差問題。

從數(shù)據(jù)信號(hào)到時(shí)鐘的串?dāng)_

在第2部分中，我們了解到耦合到時(shí)鐘信號(hào)上的噪聲看起來是正弦的，并且與輸入信號(hào)的頻率相同。有了這種理解，當(dāng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘發(fā)生串?dāng)_時(shí)，頻域中會(huì)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(hào)包含其采樣和表示的模擬信號(hào)諧波處的能量。當(dāng)來自該信號(hào)的能量耦合到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘時(shí)，它將在模擬信號(hào)的諧波處產(chǎn)生噪聲（以抖動(dòng)的形式）。當(dāng)該時(shí)鐘對(duì)后續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，模擬信號(hào)將以相同信號(hào)的速率進(jìn)行有效的相位調(diào)制。這會(huì)在采樣信號(hào)周圍產(chǎn)生與模擬信號(hào)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(gè)簡(jiǎn)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(hào)的模式。例如，MSB是輸入信號(hào)速率下的方波，如圖1所示。

圖1.頻率為 4（每個(gè)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(hào)。最容易理解的是MSB，它是與模擬信號(hào)頻率相同的方波。該MSB方波的能量與模擬輸入信號(hào)和奇次諧波的基波速率相同，如圖2所示。請(qǐng)注意，如果模擬信號(hào)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(shí)鐘上，改變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣位置時(shí)，邊帶在基頻處與模擬信號(hào)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(hào)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(shí)鐘上。

作為另一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)上的影響。請(qǐng)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(shí)鐘上。

診斷和解決問題

以下是處理嘈雜時(shí)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(shí)鐘抖動(dòng)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(shí)鐘抖動(dòng)的影響與模擬信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的斜率成正比。您可以利用這一點(diǎn)，通過以不同的頻率和模擬幅度水平執(zhí)行測(cè)試來查看是否存在抖動(dòng)問題。在觀察不同的頻率時(shí)，抖動(dòng)問題通常可以預(yù)測(cè)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(huì)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(dòng)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(dòng)效應(yīng)將使信號(hào)與抖動(dòng)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(hào)產(chǎn)生較低的位活動(dòng)，這可以減少抖動(dòng)，從而降低噪聲）。相反，模擬諧波失真通常會(huì)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(shí)用技巧，以盡可能高的模擬頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以夸大效果。如果您的系統(tǒng)允許，將輸入信號(hào)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(cè)量時(shí)鐘上的抖動(dòng)。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(dòng)。一種可用于查看時(shí)鐘噪聲的常用儀器是頻譜分析儀。在頻譜分析儀上，時(shí)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(dòng)。如果時(shí)鐘可以處于靈活的頻率，則再次以盡可能高的頻率運(yùn)行它。原因是雖然時(shí)鐘上的皮秒抖動(dòng)通常與時(shí)鐘的頻率無關(guān)，但頻譜分析儀測(cè)量的時(shí)鐘上顯示的邊帶會(huì)更高，頻率時(shí)鐘更高，皮秒抖動(dòng)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(hào)位串?dāng)_引起的抖動(dòng)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(hào)混疊為直流。如果時(shí)鐘上有抖動(dòng)，噪音將仍然存在。

為了解決和/或解決這些問題，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)時(shí)鐘信號(hào)采取與模擬信號(hào)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(dòng)的 FPGA 運(yùn)行時(shí)鐘。如果在設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi)，請(qǐng)將所有時(shí)鐘電路保留在單獨(dú)的電源上，或者至少保持非常濾波和/或穩(wěn)壓的電源。有時(shí)，將時(shí)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(duì)于使用多個(gè)接地層進(jìn)行有效設(shè)計(jì)是必要的）。使用差分時(shí)鐘可以顯著提供幫助。

結(jié)論

模擬信號(hào)上的位的數(shù)字串?dāng)_會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，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?cè)诓煌瑮l件下如何變化，可以幫助設(shè)計(jì)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(shí)鐘上的串?dāng)_是否是設(shè)計(jì)人員問題的原因。

審核編輯：郭婷