簡介

出于魯棒性、安全性、高共模電壓考量，或?yàn)榱讼稍跍y量中帶來誤差的接地環(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，無需犧牲直流精度來換取更高的采樣速率。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)開關(guān)的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)上的抖動(dòng)所帶來的誤差。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，控制采樣保持開關(guān)的信號(hào)一般來自進(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，以滿足高數(shù)據(jù)速率要求。它還會(huì)對DAQ電源層和接地層帶來極小的干擾。本文將說明如何解讀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)，還將說明計(jì)算對SNR預(yù)期影響采用的方法。

抖動(dòng)如何影響采樣過程

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。

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)場測試應(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，就無需使用輸入信號(hào)調(diào)理電路來支持較大的輸入共模電壓，并消除對下游電路來說較高的共模電壓。這種隔離還可帶來安全性，并消除可能會(huì)影響測量精度的接地環(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)的第一來源是參考時(shí)鐘。該參考時(shí)鐘通過背板傳輸至每個(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)的第二來源是FPGA帶來的抖動(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)的第四來源是ADC的孔徑抖動(dòng)。這是ADC本身固有的特性，請參閱數(shù)據(jù)手冊查看具體定義。

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描述性能，但為了將相位噪聲與ADC的性能關(guān)聯(lián)起來，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，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。

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于平均邊沿位置的偏差。

另一方面，有一些晶體振蕩器指定相位噪聲性能，而不是指定抖動(dòng)。如果振蕩器數(shù)據(jù)手冊定義了相位噪聲性能，可以將噪聲值轉(zhuǎn)化為抖動(dòng)，如“根據(jù)相位噪聲計(jì)算抖動(dòng)”部分所述。

量化來自FPGA的抖動(dòng)

FPGA中參考時(shí)鐘的主要作用是提供觸發(fā)信號(hào)，以啟動(dòng)FPGA中設(shè)定的不同并行事件。換句話說，參考時(shí)鐘協(xié)調(diào)FPGA中的所有事件。為了提供更好的時(shí)間分辨率，參考時(shí)鐘通常被傳遞到FPGA中的PLL，以增大其頻率，因此，可能出現(xiàn)短時(shí)間隔事件。此外，需注意FPGA中包含一條觸發(fā)-執(zhí)行路徑，其中，參考時(shí)鐘被傳遞至?xí)r鐘緩沖器、計(jì)數(shù)器、邏輯門等。處理抖動(dòng)敏感型重復(fù)事件（例如，通過隔離將LVDS轉(zhuǎn)化-開始信號(hào)提供給ADC）時(shí)，需要量化來自FPGA的抖動(dòng)貢獻(xiàn)，以合理預(yù)估整體系統(tǒng)抖動(dòng)對高速數(shù)據(jù)采集性能的影響。

FPGA的抖動(dòng)性能通常在FPGA數(shù)據(jù)手冊中給出。也會(huì)在大部分FPGA軟件工具的靜態(tài)時(shí)序分析(STA)中給出，如圖5所示。時(shí)序分析工具可以計(jì)算數(shù)據(jù)路徑源和目的地的時(shí)鐘不確定性，并將它們組合以獲得總時(shí)鐘不確定性。為了自動(dòng)在STA中計(jì)算參考時(shí)鐘抖動(dòng)量，必須在FPGA項(xiàng)目中將其添加為輸入抖動(dòng)約束。

量化數(shù)字隔離產(chǎn)生的抖動(dòng)

查看抖動(dòng)的最基本方法是用差分探針去測量LVDS信號(hào)對，并且上升沿和下降沿上均要觸發(fā)，示波器設(shè)定為無限持續(xù)。這意味著高至低和低至高的躍遷會(huì)相互迭加，因此可以測量交越點(diǎn)。交越寬度對應(yīng)于峰峰值抖動(dòng)或截至目前所測得的時(shí)間間隔誤差(TIE)。比較圖6和圖7所示的眼圖和直方圖。有一些抖動(dòng)是隨機(jī)來源（例如熱噪聲）所導(dǎo)致，此隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)意味著示波器上所看到的峰峰值抖動(dòng)會(huì)受到運(yùn)行時(shí)間的限制（隨著運(yùn)行時(shí)間增加，直方圖上的尾巴會(huì)升高）。

相比之下，確定性抖動(dòng)(DJ)的來源是有界限的，例如脈沖偏斜所導(dǎo)致的抖動(dòng)、數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)(DDJ)和符碼間干擾(ISI)。脈沖偏斜源于高至低與低至高傳輸延遲之間的差異。這可以通過偏移交越實(shí)現(xiàn)可視化，即在0 V時(shí)，兩個(gè)邊沿分開（很容易通過圖7中直方圖內(nèi)的分隔看出來）。DDJ源于不同工作頻率時(shí)的傳輸延遲差異，而ISI源于前一躍遷頻率對當(dāng)前躍遷的影響（例如，邊沿時(shí)序在一連串的1s或0s與1010模式碼之后通常會(huì)有所不同）。

作者簡介

Lloben Paculanan是ADI菲律賓GT公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他于2000年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)測試硬件開發(fā)和應(yīng)用工程職位；一直從事精密高速信號(hào)鏈μModule開發(fā)。他擁有美國澤維爾大學(xué)Ateneo de Cagayan學(xué)院工業(yè)工程技術(shù)學(xué)士學(xué)位，以及Enverga University的計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。

John Neeko Garlitos是ADI公司的信號(hào)鏈μModule解決方案產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他從事信號(hào)鏈μModule開發(fā)，以及適用于Circuits from the Lab和參考電路的嵌入式軟件工作。他于2017年開始在ADI菲律賓GT公司工作。他擁有菲律賓科技大學(xué)沙鄢分校電子工程理學(xué)士學(xué)位，以及菲律賓迪里曼大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。