時鐘抖動對高速ADC取樣系統的影響

2022-09-01 17:45:11 字數 2185 閱讀 2480

在高速資料取樣中,adc時鐘訊號的穩定性對其效能有至關重要的影響,因為這些抖動會破壞高速adc的時序。

孔徑的定義

孔徑時間ta,是指從取樣時鐘跳變開始,一直到保持電壓建立。換言之,孔徑是指取樣保持電路中開關切換的時間,即從低阻態轉換為高阻態的時間。由上面圖可以看出,在ta時間內,模擬訊號實際上是一直處於變化狀態的,這就會導致量化值與實際模擬訊號的乙個延遲。對於乙個確定的adc來講,孔徑時間是乙個定值。

孔徑抖動

理想的時鐘訊號邊沿應該是等間隔的,而上圖所示的訊號週期並不完全相同,這種情況成為時鐘抖動。以此類推,孔徑抖動,就是指adc 孔徑時間存在不確定性。在時間軸上,並不是完全的等間隔。

上圖所示的δtrms,即為孔徑抖動。可以清楚看到adc實際的取樣時刻分散在track+δtrms時間內,track為取樣時鐘,對應的電壓變化範圍是δvrms.

其中δvrms = slope * δtrms

孔徑時間和孔徑抖動都是adc的效能引數,是乙個定值。

上圖是乙個高速adc的孔徑時間和孔徑抖動。

取樣時鐘的影響

在上面的討論中,adc取樣時鐘track是理想的,假設其抖動為δtrackrms.則有

δvrms = slope * ( δtrms + δtrackrms)

由上式可以看出,電壓不確定度和壓擺率,取樣時鐘抖動成正相關。就是說,訊號變化的越快,取樣時鐘抖動越大,則由此產生的雜訊越大。

由下圖可以明顯的看出時鐘抖動對於理想解析度adc的訊雜比影響。在欠取樣的情況下,會嚴重失真。

更完整的乙個有關時鐘抖動對snr影響的公式如下圖所示

抖動影響的時域分析

上面諸多論述,以頻域分析居多,下面將更加直觀分析時鐘抖動造成的不確定性影響。

首先是取樣過程,如圖均勻取樣頻率fs=,非均勻取樣頻率也是,但有較大雜訊,兩者都一共取點40個

到目前為止,取樣過程並沒有什麼大問題,只是間隔出現了不一致。但是,請注意均勻取樣的取樣位置是可以確定的,即從零開始,落在n*1/20s 時刻;而非均勻的取樣的取樣時刻是不確定的。

下一步,訊號還原。即以等間隔時間軸恢復取樣資料。

上圖藍線是等間隔取樣的恢復訊號,橙色線是非均勻的時間取樣的恢復,下圖是非均勻取樣的時間誤差。

可以看到橙色線的訊號出現了明顯的畸變。如果採用更大取樣速度,則可以看到明顯的因為時間抖動而引入的雜訊。

小結

adc資料取樣的恢復一定是按照已知的取樣頻率和取樣間隔進行的,這就要求之前取樣的時間間隔必須和恢復時間間隔保持一致,否則就會導致在a時刻恢復b時刻的情況出現。從而引入不確定性誤差。這種誤差會隨著輸入模擬訊號頻率的公升高而進一步得到放大。

在adc系統孔徑延遲和孔徑抖動確定的情況下,作為系統同步的核心-取樣時鐘的穩定性就顯得彌足重要。

參考資料

mt-007,孔徑時間、孔徑抖動、孔徑延遲時間——正本清源,adi,walt kester

an-501,孔徑不確定度和adc系統效能,adi,brad brannon,allen barlow

an-756,取樣系統以及時鐘相位雜訊和抖動的影響,adi,brad brannon

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