數字數據信號與數據轉換系統時鐘信號的串擾會導致難以診斷的問題。這個晦澀難懂的問題不同于數字數據信號進入模擬信號路徑的串擾，后者是第1部分的主題。在更深層次上理解這種不同的串擾問題是有價值的，因此設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，讀者將了解數字數據信號到時鐘的串擾如何引起諧波失真和其他信號相關誤差問題。

從數據信號到時鐘的串擾

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，當數字數據信號到數據轉換器時鐘發生串擾時，頻域中會發生什么就變得更加清晰。如第1部分所述，來自ADC的數字數據信號包含其采樣和表示的模擬信號諧波處的能量。當來自該信號的能量耦合到數據轉換器時鐘時，它將在模擬信號的諧波處產生噪聲（以抖動的形式）。當該時鐘對后續模擬信號進行采樣時，模擬信號將以相同信號的速率進行有效的相位調制。這會在采樣信號周圍產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）的正弦波和產生的數字位。

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，甚至會出現諧波，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：

當該位通過串擾耦合到時鐘上，改變數據轉換器采樣位置時，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，甚至會出現諧波。

圖3.頻率為4的純正弦波，以及具有1%串擾的相同正弦波的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顯示了這種通過串擾耦合到數據轉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%串擾的相同正弦波的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測地產生一種效應，該效應將隨頻率成比例增加（即，輸入頻率的 2 倍會產生 2 倍大的邊帶）。相比之下，雖然大多數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（例外情況是，如果較低的模擬信號產生較低的位活動，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。

作為利用上述現象的實用技巧，以盡可能高的模擬頻率進行實驗以夸大效果。如果您的系統允許，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，大多數示波器的性能不足以看到可能導致大多數數據轉換器系統出現問題的低電平抖動。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，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。

要發現ADC中非數字信號位串擾引起的抖動問題，一種非常有用的技術是將模擬輸入頻率設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，設計人員需要對時鐘信號采取與模擬信號類似的預防措施;將其與其他數字邏輯或任何其他可能具有其他頻率內容的東西分開。不要通過包含任何活動的 FPGA 運行時鐘。如果在設計限制范圍內，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行有效設計是必要的）。使用差分時鐘可以顯著提供幫助。

結論

模擬信號上的位的數字串擾會產生抖動，從而產生諧波失真或其他噪聲效應，這些效應可能很難與模擬諧波失真或噪聲效應區分開來。但是，了解這些影響、它們如何表現以及它們在不同條件下如何變化，可以幫助設計人員規劃快速有效的調試策略，以確定數據轉換器時鐘上的串擾是否是設計人員問題的原因。

審核編輯：郭婷