數(shù)字串擾在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的影響：串擾對時鐘的影響

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)手冊經(jīng)常提到，盡量減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘的串擾非常重要。當被問及當它存在時會發(fā)生什么時，許多工程師都有“它會產(chǎn)生噪音”的見解。雖然這通常是一個真實的陳述，但在更深層次上理解這一點是有價值的，這樣設計工程師就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)字數(shù)據(jù)信號到時鐘的串擾如何引起諧波失真和其他信號相關(guān)誤差問題。如果不了解機制，這些可能需要很長時間來診斷和修復。

在閱讀本文之前，了解本系列第一篇文章中的概念將有助于理解。

噪聲如何耦合到時鐘信號上

在討論數(shù)字位串擾對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的影響之前，了解時鐘噪聲對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的一般影響非常重要。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘信號看起來像數(shù)字信號。怎么會容易串擾呢？

時鐘信號標記一個時間點 - 它越過數(shù)字信號閾值的點。如果上升/下降/轉(zhuǎn)換時間為零，則無論環(huán)境中存在噪聲，采樣時刻都將被精確定義。但現(xiàn)實世界的時鐘在上升和下降中是有偏差的。在此過渡期間，時鐘信號是模擬的。如果在閾值交叉附近的壓擺期間存在任何電壓串擾，則可以改變超過閾值的時間點。這會在時鐘上產(chǎn)生噪聲，通常稱為抖動。

時鐘噪聲對采樣輸入信號的影響

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘上的噪聲會影響采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬信號（即ADC輸入）樣本的時間點。如果模擬信號隨時間變化，則將采樣與最初預期的電壓不同的電壓。

時間誤差（即抖動）是時鐘轉(zhuǎn)換壓擺率的函數(shù)，與頻率無關(guān)。這通常是一個驚喜。量化：采樣電壓中的誤差是輸入信號電壓相對于時間的斜率，乘以時間誤差。

dv = （dv/dt） × dt = 斜率 × dt

請注意，該關(guān)系與時鐘頻率無關(guān)。唯一重要的是時鐘抖動的皮秒和模擬信號的壓擺率。

上述等式有許多重要含義，將在下面討論。

查看這種噪聲的另一種方法是將采樣信號視為時間的函數(shù)。即，

X (t) = sin (f × t).

時間分量由常規(guī)抖動時間分量代替。

X jittered (t) = X (t + jitter)

對于一個簡單的情況，我們可以假設抖動是正弦波。

抖動 = c × sin （ fj × t ）

這將產(chǎn)生結(jié)果：

X jittered (t) = sin (f × [ t + c × sin (fj × t) ] )

請注意，這與相位調(diào)制（PM）信號的等式相同。具有相位調(diào)制的正弦波是正弦波在其相位/定時位置調(diào)制的正弦波。如果ADC使用純時鐘對在Fj調(diào)制的正弦波進行采樣，則會產(chǎn)生與ADC使用時鐘對純正弦波進行采樣相同的樣本集，其采樣位置以Fj速率抖動。

相位調(diào)制或正弦抖動正弦波的凈效應是，邊帶在調(diào)制頻率及其諧波的距離處出現(xiàn)在正弦波周圍。例如，圖1顯示了頻率為4的純正弦波和頻率為4的類似正弦波，頻率為2的PM調(diào)制/抖動。請注意，噪聲分量出現(xiàn)在頻率為2及其諧波的邊帶上。或者，給出精確的數(shù)字：“正弦波頻率”±N ד調(diào)制頻率”或 4 - 2 = 2、4 + 2 = 6、4 + 2 × 2 = 8、4 + 3 × 2 = 10 等。

圖1.頻率為 4 的純正弦波，以及頻率為 2 的 PM 調(diào)制的相同正弦波（相當于頻率為 2 的時鐘串擾）。

現(xiàn)在，讓我們看一下上述一種更特殊的情況：當串擾/相位調(diào)制與原始信號處于同一頻率時。答案遵循與上述相同的原則和模式。邊帶出現(xiàn)在串擾頻率及其諧波的頻率距離處。圖2顯示了這樣一個例子：頻率為4的正弦波，頻率為4的PM調(diào)制/時鐘噪聲。請注意，邊帶出現(xiàn)在 4 + 4 = 8、4 + 2 × 4 = 12、4 + 3 × 4 = 16 等頻率下。

你能把這和諧波失真區(qū)分開來嗎？

圖2.頻率為 4 的純正弦波，以及頻率為 4 的 PM 調(diào)制的相同正弦波（相當于頻率為 4 的時鐘串擾）。

結(jié)論

我們?yōu)槭裁匆治鲞@個晦澀難懂的案例？因為這與ADC的數(shù)字數(shù)據(jù)信號串擾到時鐘時發(fā)生的情況直接相關(guān)。噪聲源是數(shù)字數(shù)據(jù)信號能量。由于電容耦合機制，這種能量在時鐘上產(chǎn)生與時鐘相同頻率的正弦“噪聲”。

審核編輯：郭婷