The Easy Steps to Calculate Sampling Clock Jitter for Isolated, Precision High Speed DAQs
作者：Lloben Paculanan，ADI應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程師 John Neeko Garlitos，ADI產(chǎn)品應(yīng)用工程師
簡(jiǎn)介
出于魯棒性、安全性、高共模電壓考量，或?yàn)榱讼稍跍y(cè)量中帶來(lái)誤差的接地環(huán)路，許多數(shù)據(jù)采集(DAQ)應(yīng)用都需要隔離DAQ信號(hào)鏈路徑。ADI的精密高速技術(shù)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在相同的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高交流和直流精度，無(wú)需犧牲直流精度來(lái)?yè)Q取更高的采樣速率。然而，為實(shí)現(xiàn)高交流性能，如信噪比(SNR)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮采樣時(shí)鐘信號(hào)或控制ADC中采樣保持(S&H)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)上的抖動(dòng)所帶來(lái)的誤差。隨著目標(biāo)信號(hào)和采樣速率的增加，控制采樣保持開(kāi)關(guān)的信號(hào)抖動(dòng)會(huì)成為主要誤差源。
當(dāng)DAQ信號(hào)鏈被隔離之后，控制采樣保持開(kāi)關(guān)的信號(hào)一般來(lái)自進(jìn)行多通道同步采樣的背板。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇低抖動(dòng)數(shù)字隔離器至關(guān)重要，以使進(jìn)入ADC的采樣保持開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)具有低抖動(dòng)。精密高速ADC應(yīng)首選使用LVDS接口格式，以滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)速率要求。它還會(huì)對(duì)DAQ電源層和接地層帶來(lái)極小的干擾。本文將說(shuō)明如何解讀ADI公司的LVDS數(shù)字隔離器的抖動(dòng)規(guī)格參數(shù)，以及與精密高速產(chǎn)品（例如ADAQ23875DAQ μModule?解決方案）接口時(shí)，哪些規(guī)格參數(shù)比較重要。本文的這些指導(dǎo)說(shuō)明也適用于其他帶有LVDS接口的精密高速ADC。在介紹與ADN4654千兆LVDS隔離器配合使用的ADAQ23875時(shí)，還將說(shuō)明計(jì)算對(duì)SNR預(yù)期影響采用的方法。
抖動(dòng)如何影響采樣過(guò)程
通常，時(shí)鐘源在時(shí)域中存在抖動(dòng)。在設(shè)計(jì)DAQ系統(tǒng)時(shí)，了解時(shí)鐘源中包含多少抖動(dòng)是非常重要的。
圖1展示了非理想型振蕩器的典型輸出頻譜，在1 Hz帶寬時(shí)噪聲功率與頻率成函數(shù)關(guān)系。相位噪聲的定義為指定頻率偏移fm下1 Hz帶寬內(nèi)的噪聲與基波頻率fo下振蕩器信號(hào)幅度的比率。
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圖1.受相位噪聲影響的振蕩器功率頻譜。
采樣過(guò)程是采樣時(shí)鐘與模擬輸入信號(hào)的乘法。這種時(shí)域中的乘法相當(dāng)于頻域中的卷積。所以，在ADC轉(zhuǎn)換期間，ADC采樣時(shí)鐘的頻譜與純正弦波輸入信號(hào)卷積，使得采樣時(shí)鐘或相位噪聲上的抖動(dòng)出現(xiàn)在ADC輸出數(shù)據(jù)的FFT頻譜中，具體如圖2所示。
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圖2.帶相位噪聲采樣時(shí)鐘對(duì)理想正弦波采樣的影響。
隔離式精密高速DAQ應(yīng)用
多相功率分析儀就是一個(gè)隔離式精密高速DAQ應(yīng)用示例。圖3顯示典型的系統(tǒng)架構(gòu)，其中通道與通道之間隔離，通過(guò)共用背板用于與系統(tǒng)計(jì)算或控制器模塊通信。在本示例中，我們選擇ADAQ23875精密高速DAQ解決方案，因?yàn)槠涑叽缧?，所以能夠在狹小空間內(nèi)輕松安裝多個(gè)隔離DAQ通道，從而可以減輕現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用中移動(dòng)儀器的重量。使用LVDS千兆隔離器(ADN4654)將DAQ通道與主機(jī)箱背板隔離。
通過(guò)隔離每個(gè)DAQ通道，可以在不損壞輸入電路的情況下，將每個(gè)通道直接連接至具有不同共模電壓的傳感器。每個(gè)隔離DAQ通道的接地跟蹤具有一定電壓偏移的共模電壓。如果DAQ信號(hào)鏈能夠跟蹤與傳感器相關(guān)的共模電壓，就無(wú)需使用輸入信號(hào)調(diào)理電路來(lái)支持較大的輸入共模電壓，并消除對(duì)下游電路來(lái)說(shuō)較高的共模電壓。這種隔離還可帶來(lái)安全性，并消除可能會(huì)影響測(cè)量精度的接地環(huán)路。
在功率分析儀應(yīng)用中，在所有DAQ通道中實(shí)現(xiàn)采樣事件同步至關(guān)重要，因?yàn)榕c采樣電壓相關(guān)的時(shí)域信息不匹配會(huì)影響后續(xù)計(jì)算和分析。為了在通道間同步采樣事件，ADC采樣時(shí)鐘通過(guò)LVDS隔離器從背板發(fā)出。
在圖3所示的隔離式DAQ架構(gòu)中，以下這些抖動(dòng)誤差源會(huì)增加控制ADC中采樣保持開(kāi)關(guān)的采樣時(shí)鐘上的總抖動(dòng)。
1. 參考時(shí)鐘抖動(dòng)
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的第一來(lái)源是參考時(shí)鐘。該參考時(shí)鐘通過(guò)背板傳輸至每個(gè)隔離式精密高速DAQ模塊和其他插入背板的測(cè)量模塊。該時(shí)鐘用作FPGA的時(shí)序參考；所以，F(xiàn)PGA中的所有事件、數(shù)字模塊、PLL等的時(shí)序精度都取決于參考時(shí)鐘的精度。在沒(méi)有背板的某些應(yīng)用中，使用板載時(shí)鐘振蕩器作為參考時(shí)鐘源。
2. FPGA抖動(dòng)
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的第二來(lái)源是FPGA帶來(lái)的抖動(dòng)。注意，F(xiàn)PGA中包含一條觸發(fā)-執(zhí)行路徑，并且FPGA中PLL和其他數(shù)據(jù)模塊的抖動(dòng)規(guī)格都會(huì)影響系統(tǒng)的整體抖動(dòng)性能。
3. LVDS隔離器抖動(dòng)
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的第三來(lái)源是LVDS隔離器。LVDS隔離器產(chǎn)生附加相位抖動(dòng)，會(huì)影響系統(tǒng)的整體抖動(dòng)性能。
4. ADC的孔徑抖動(dòng)
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的第四來(lái)源是ADC的孔徑抖動(dòng)。這是ADC本身固有的特性，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)查看具體定義。
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圖3.通道與通道之間的隔離DAQ架構(gòu)
有些參考時(shí)鐘和FPGA抖動(dòng)規(guī)格基于相位噪聲給出。要計(jì)算對(duì)采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)貢獻(xiàn)，需要將頻域中的相位噪聲規(guī)格轉(zhuǎn)化為時(shí)域中的抖動(dòng)規(guī)格。
根據(jù)相位噪聲計(jì)算抖動(dòng)
相位噪聲曲線有些類(lèi)似于放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度。與放大器電壓噪聲一樣，最好在振蕩器中使用1/f低轉(zhuǎn)折頻率。振蕩器通常用相位噪聲來(lái)描述性能，但為了將相位噪聲與ADC的性能關(guān)聯(lián)起來(lái)，必須將相位噪聲轉(zhuǎn)換為抖動(dòng)。為將圖4中的圖與現(xiàn)代ADC應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來(lái)，選擇100 MHz的振蕩器頻率（采樣頻率）以便于討論，典型曲線如圖4所示。請(qǐng)注意，相位噪聲曲線由多條線段擬合而成，各線段的端點(diǎn)由數(shù)據(jù)點(diǎn)定義。
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圖4.根據(jù)相位噪聲計(jì)算抖動(dòng)。
計(jì)算等量rms抖動(dòng)時(shí)，第一步是獲取目標(biāo)頻率范圍中的積分相位噪聲功率，即曲線區(qū)域A。該曲線被分為多個(gè)獨(dú)立區(qū)域（A1、A2、A3和A4），每個(gè)區(qū)域由兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)定義。假設(shè)振蕩器與ADC輸入端之間無(wú)濾波，則積分頻率范圍的上限應(yīng)為采樣頻率的2倍，這近似于ADC采樣時(shí)鐘輸入的帶寬。積分頻率范圍下限的選擇也需要一定的斟酌。理論上，它應(yīng)盡可能低，以便獲得真實(shí)的rms抖動(dòng)。但實(shí)際上，制造商一般不會(huì)給出偏移頻率小于10 Hz時(shí)的振蕩器特性，不過(guò)這在計(jì)算中已經(jīng)能夠得出足夠精度的結(jié)果。多數(shù)情況下，如果提供了100 Hz時(shí)的特性，則選擇100 Hz作為積分頻率下限是合理的。否則，可以使用1 kHz或10 kHz數(shù)據(jù)點(diǎn)。還應(yīng)考慮，近載波相位噪聲會(huì)影響系統(tǒng)的頻譜分辨率，而寬帶噪聲則會(huì)影響整體系統(tǒng)信噪比。最明智的方法或許是對(duì)各區(qū)域分別積分，并檢查各區(qū)域的抖動(dòng)貢獻(xiàn)幅度。如果使用晶體振蕩器，則低頻貢獻(xiàn)與寬帶貢獻(xiàn)相比，可能可以忽略不計(jì)。其它類(lèi)型的振蕩器在低頻區(qū)域可能具有相當(dāng)大的抖動(dòng)貢獻(xiàn)，必須確定其對(duì)整體系統(tǒng)頻率分辨率的重要性。各區(qū)域的積分產(chǎn)生個(gè)別功率比，然后將各功率比相加，并轉(zhuǎn)換回dBc。已知積分相位噪聲功率后，便可通過(guò)下式計(jì)算rms相位抖動(dòng)（單位為弧度）：
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以上結(jié)果除以2πf0，便可將用弧度表示的抖動(dòng)0轉(zhuǎn)換為用秒表示的抖動(dòng)：
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更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱“MT-008教程：將振蕩器相位噪聲轉(zhuǎn)化為時(shí)間抖動(dòng)”。
量化參考時(shí)鐘抖動(dòng)
高性能DAQ系統(tǒng)中使用的參考時(shí)鐘源一般為晶體振蕩器，與其他時(shí)鐘源相比，它可以提供更出色的抖動(dòng)性能。
我們一般使用表1所示的示例在數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義晶體振蕩器的抖動(dòng)規(guī)格。在量化參考時(shí)鐘的抖動(dòng)貢獻(xiàn)時(shí)，相位抖動(dòng)是最重要的規(guī)格指標(biāo)。相位抖動(dòng)通常定義為邊沿位置相對(duì)于平均邊沿位置的偏差。
表1.數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的晶體振蕩器抖動(dòng)規(guī)格示例
