数字串扰在数据转换器中的作用：数字数据信号串扰对时钟的影响

数字数据信号与数据转换系统时钟信号的串扰会导致难以诊断的问题。这个晦涩难懂的问题不同于数字数据信号进入模拟信号路径的串扰，后者是第1部分的主题。在更深层次上理解这种不同的串扰问题是有价值的，因此设计工程师可以更有效地理解和排除具有此类问题的电路。阅读本文后，读者将了解数字数据信号到时钟的串扰如何引起谐波失真和其他信号相关误差问题。

从数据信号到时钟的串扰

在第2部分中，我们了解到耦合到时钟信号上的噪声看起来是正弦的，并且与输入信号的频率相同。有了这种理解，当数字数据信号到数据转换器时钟发生串扰时，频域中会发生什么就变得更加清晰。如第1部分所述，来自ADC的数字数据信号包含其采样和表示的模拟信号谐波处的能量。当来自该信号的能量耦合到数据转换器时钟时，它将在模拟信号的谐波处产生噪声（以抖动的形式）。当该时钟对后续模拟信号进行采样时，模拟信号将以相同信号的速率进行有效的相位调制。这会在采样信号周围产生与模拟信号频率相距的边带，这看起来与谐波失真没有区别。

我们将通过一些示例模拟来模拟一个简单的正弦波。如本系列文章的第1部分所示，数字位具有依赖于输入信号的模式。例如，MSB是输入信号速率下的方波，如图1所示。

图1.频率为 4（每个样本集的周期）的正弦波和产生的数字位。

我们可以在频域中查看这些信号。最容易理解的是MSB，它是与模拟信号频率相同的方波。该MSB方波的能量与模拟输入信号和奇次谐波的基波速率相同，如图2所示。请注意，如果模拟信号上有任何直流偏移，甚至会出现谐波，这将使MSB接近比50%占空比方波更像脉冲。

图2.频率为4的正弦波的MSB及其频域含量：

当该位通过串扰耦合到时钟上，改变数据转换器采样位置时，边带在基频处与模拟信号相距一定距离，并出现奇次谐波频率，如图3所示。再次注意，如果模拟信号上有直流偏移，甚至会出现谐波。

图3.频率为4的纯正弦波，以及具有1%串扰的相同正弦波的MSB到时钟上。

作为另一个示例，我们将模拟 5 的频率，其中高次谐波混叠模式与基波和低次谐波不在同一频率上。图4显示了频率为5的正弦波的MSB频域模式。图5显示了这种通过串扰耦合到数据转换器时钟信号上的影响。请注意，遵循相同的一组模式。

图4.频率为5的正弦波的MSB及其频域含量。

图5.频率为4的纯正弦波，以及具有1%串扰的相同正弦波的MSB到时钟上。

诊断和解决问题

以下是处理嘈杂时钟问题的一些快速提示。最大的关键是快速诊断您的问题是由时钟抖动还是其他原因引起的。

在本系列文章的第1部分中，我们提到时钟抖动的影响与模拟信号相对于时间的斜率成正比。您可以利用这一点，通过以不同的频率和模拟幅度水平执行测试来查看是否存在抖动问题。在观察不同的频率时，抖动问题通常可以预测地产生一种效应，该效应将随频率成比例增加（即，输入频率的 2 倍会产生 2 倍大的边带）。相比之下，虽然大多数谐波失真问题随着频率的升高而变得更糟，但很少有像抖动效应那样具有完全成比例的依赖性。同样，在模拟幅度电平变化中，抖动效应将使信号与抖动引起的噪声/失真/边带之间的比率相等，而与模拟电平无关（例外情况是，如果较低的模拟信号产生较低的位活动，这可以减少抖动，从而降低噪声）。相反，模拟谐波失真通常会随着输入电平的降低而降低其比率效应。

作为利用上述现象的实用技巧，以尽可能高的模拟频率进行实验以夸大效果。如果您的系统允许，将输入信号明显增加到ADC的奈奎斯特速率之外是一种可以接受的，并且非常有用的技术可以夸大效果。

理想情况下，您可以使用示波器或某些仪器测量时钟上的抖动。然而，大多数示波器的性能不足以看到可能导致大多数数据转换器系统出现问题的低电平抖动。一种可用于查看时钟噪声的常用仪器是频谱分析仪。在频谱分析仪上，时钟应该只看起来像基波和奇次谐波。其他任何东西都是噪声/抖动。如果时钟可以处于灵活的频率，则再次以尽可能高的频率运行它。原因是虽然时钟上的皮秒抖动通常与时钟的频率无关，但频谱分析仪测量的时钟上显示的边带会更高，频率时钟更高，皮秒抖动量相同，这使得它们更容易看到。

要发现ADC中非数字信号位串扰引起的抖动问题，一种非常有用的技术是将模拟输入频率设置为相同速率的谐波，这将使信号混叠为直流。如果时钟上有抖动，噪音将仍然存在。

为了解决和/或解决这些问题，设计人员需要对时钟信号采取与模拟信号类似的预防措施;将其与其他数字逻辑或任何其他可能具有其他频率内容的东西分开。不要通过包含任何活动的 FPGA 运行时钟。如果在设计限制范围内，请将所有时钟电路保留在单独的电源上，或者至少保持非常滤波和/或稳压的电源。有时，将时钟电路放在自己的接地层上可能是合适的（但是，了解返回电流及其影响对于使用多个接地层进行有效设计是必要的）。使用差分时钟可以显着提供帮助。

结论

模拟信号上的位的数字串扰会产生抖动，从而产生谐波失真或其他噪声效应，这些效应可能很难与模拟谐波失真或噪声效应区分开来。但是，了解这些影响、它们如何表现以及它们在不同条件下如何变化，可以帮助设计人员规划快速有效的调试策略，以确定数据转换器时钟上的串扰是否是设计人员问题的原因。

审核编辑：郭婷