利用時(shí)鐘再生技術(shù)進(jìn)行的極端的信號調整

　　設計結束了專(zhuān)用電路板試驗臺測試結果表明功能完全正常設計小組的工作人員不約而同地長(cháng)舒了一口氣每個(gè)人都認為最艱苦的階段已經(jīng)過(guò)去了專(zhuān)用系統板的最終集成開(kāi)始進(jìn)行性能可靠的線(xiàn)性試驗臺電源很快將被高效的開(kāi)關(guān)電源所取代試驗室基準時(shí)鐘現已被低成本解決方案取而代之在最初的專(zhuān)用電路板測試結果顯示有望獲得極佳性能的同時(shí)無(wú)法預知的邏輯器件失效正在系統中悄然滋生在無(wú)計可施的情況下只好在背板上插拔電路板人們發(fā)現只有某些插槽組合能夠正常工作這純粹是一個(gè)邏輯問(wèn)題嗎系統電源上的負載是否包含在計算公式中電路板彼此靠近有沒(méi)有產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)鐘抖動(dòng)是否關(guān)閉了定時(shí)容限窗口如何才能對問(wèn)題實(shí)施隔離以便開(kāi)始試驗的正確設計這些問(wèn)題均難以回答但是在系統設計的整個(gè)過(guò)程中我們當中的大多數人都將會(huì )至少一次向這些問(wèn)題妥協(xié)擺脫這種無(wú)奈困境的方法是求助于工程SWAT小組這是由一些具有多年豐富維修經(jīng)驗的優(yōu)秀工程師所組成的團隊來(lái)解決問(wèn)題SWAT小組帶著(zhù)一連串的問(wèn)題深入到試驗室中進(jìn)行調查至關(guān)重要的每個(gè)人都必需嘗試回答一個(gè)根本題試驗臺與系統設置之間的區別是什么

　　當處理復雜問(wèn)題時(shí)時(shí)?；剡^(guò)頭去對子系統之間的依存性重新進(jìn)行分析和思考往往能夠得出令人驚訝的結果這樣做的道理在于在某種場(chǎng)合起作用的東西未必會(huì )在其他場(chǎng)合自動(dòng)生效當遇到系統依存性問(wèn)題時(shí)系統時(shí)鐘通常成為人們的重點(diǎn)懷疑對象將系統故障歸咎于時(shí)鐘固然不難但根本原因何在時(shí)鐘究竟是引發(fā)故障的罪魁禍首還是周?chē)h(huán)境的替罪羊雖然本文并不能夠針對系統細節專(zhuān)門(mén)作答但的確對存在有噪基準時(shí)鐘脈沖源時(shí)的抖動(dòng)衰減方法進(jìn)行了研究這并不是尋求最小衰減的另一種嘗試而是要弄清楚顯著(zhù)衰減會(huì )產(chǎn)生什么樣的后果此項工作在很大程度上來(lái)說(shuō)就是眾所周知的FailSafe^TM時(shí)鐘架構的一個(gè)特殊研究分支在時(shí)鐘冗余系統中FailSafe^TM的作用是在基準時(shí)鐘脈沖源消失的情況下簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)操作并維持時(shí)鐘的存在試驗室分析表明FailSafe架構能夠在原有應用范圍的基礎上自然地擴展到用于對付嚴重的時(shí)鐘修整問(wèn)題保持同步自然是必需的而FailSafe也能夠做到這一點(diǎn)

　　抖動(dòng)有多重含義而對時(shí)鐘抖動(dòng)的要求與系統規范具有很大的相關(guān)性為完成這項工作需要關(guān)注三個(gè)主要的測量條件包括周期至周期抖動(dòng)有時(shí)稱(chēng)為周期抖動(dòng)以及1s和10s時(shí)間間隔內的累積抖動(dòng)抖動(dòng)信息的統計累積隨后以隨機抖動(dòng)RJ和確定抖動(dòng)DJ給出通常用直方圖來(lái)表示

　　隨機抖動(dòng)和確定抖動(dòng)一種不受歡迎的組合

　　雖然系統中的自然高斯噪聲發(fā)生元件始終會(huì )引發(fā)抖動(dòng)但如果存在DJ則清楚地表明一個(gè)調制信號源正在向定時(shí)系統注入能量從直方圖的角度來(lái)看DJ充斥于中間部分從而擴展了直方圖左側和右側的自然高斯響應圖1示出了該原理由于數字系統是有限系統就是說(shuō)不應存在調幅信息而是在恰好正確的時(shí)刻獲得一個(gè)0或1因此邊緣布局信息的收集和分析過(guò)程正是抖動(dòng)分析的切入點(diǎn)因為直方圖是邊緣的統計集合所以良好的測量需要大量的采樣信息組合來(lái)獲得必要的+/-6統計數據抽取這樣做是有道理的由此可實(shí)現最高的測量精度

圖1具有隨機抖動(dòng)和確定抖動(dòng)分量的直方圖

　　噪聲條件下的時(shí)鐘信號修整

　　系統中的噪聲能量的影響似乎總會(huì )不可思議地侵入時(shí)鐘脈沖源時(shí)鐘脈沖源遭受傳導噪聲或輻射噪聲影響的可能性大致相同雖然大多數工程師在工作實(shí)踐中均采用容性旁路技術(shù)來(lái)對付傳導噪聲但輻射噪聲卻往往更加難以定位和矯正串擾即屬此類(lèi)這是因為電氣孔隙通常足以成為代人受過(guò)的時(shí)鐘脈沖源至吸收輻射能量的軌跡其他一些常常被忽略的因素是由磁感應所耦合的能量捕獲到一個(gè)與電源開(kāi)關(guān)速率奇跡般地保持同步的時(shí)鐘調制頻率的情況并不鮮見(jiàn)

　　減少時(shí)鐘走線(xiàn)孔隙有利于吸收輻射能量由于互易定律有效因此能夠容易地吸收輻射能量的時(shí)鐘線(xiàn)同樣也會(huì )容易地輻射能量這將在進(jìn)行EMI輻射測試時(shí)產(chǎn)生不良影響隨著(zhù)近期ZDB即零延遲緩沖器的普及定時(shí)分配正在變得更加局部化了這是一件好事除了時(shí)鐘緩沖機制外ZDB還能夠利用PLL技術(shù)來(lái)提供零延遲甚至負延遲以克服時(shí)鐘傳播雖然能夠進(jìn)行一些抖動(dòng)衰減但總的說(shuō)來(lái)ZDB器件并不提供使一個(gè)器件能夠完成很大的抖動(dòng)衰減所需的編程參數

　　利用模擬技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號修整

　　由于抖動(dòng)對載頻或以最佳單位間隔UI運行的純時(shí)鐘基頻進(jìn)行調制因此從理論上說(shuō)布設一個(gè)頻帶極窄的帶通濾波器應該有助于衰減調制分量由于尖銳響應具有高Q值所以必須小心地將帶通濾波器置于載波的中心以確?；l不被衰減否則載頻隨著(zhù)時(shí)間的長(cháng)期推移而發(fā)生的自然漂移將導致顯著(zhù)衰減理想的情況是濾波器應跟蹤載波的變化在我們所舉的簡(jiǎn)單示例中需要進(jìn)行時(shí)鐘信號的再整形以重新生成一個(gè)方波信號原因是帶通濾波器有可能除去諧波分量雖然以這種方式來(lái)減輕抖動(dòng)是合理的但是要想以較低的成本和較小的占用空間來(lái)實(shí)現具有所需Q值的有效解決方案則很困難

圖2可調帶通濾波器

　　采用PLL來(lái)減輕抖動(dòng)的技術(shù) {{分頁(yè)}}

　　由于PLL在時(shí)鐘發(fā)生和分配中所起的作用持續增長(cháng)因此將PLL轉移函數用作減輕抖動(dòng)的方法是值得考慮的這種采用PLL來(lái)減輕抖動(dòng)的處理過(guò)程要求對其實(shí)現方法假定有一個(gè)可提供滿(mǎn)足設計目標的足夠編程選項的器件有一個(gè)全面深入的了解

　　PLL具有可為上述采用帶通濾波器來(lái)減輕抖動(dòng)的方法提供跟蹤功能的優(yōu)點(diǎn)環(huán)路內部的增益和環(huán)路帶寬組合通過(guò)改變響應來(lái)改變轉移函數在處理高集成度的低成本PLL解決方案時(shí)通常會(huì )犧牲編程方面的靈活性包括更改常常是集成化的環(huán)路濾波器圖3描繪了一種理想的PLL編程方案在該方案中電荷泵環(huán)路濾波器和VCO增益均可在一個(gè)擴展范圍內進(jìn)行修改然而如果沒(méi)有仔細的分析以及準確的實(shí)驗室結果則PLL實(shí)際上有可能造成系統的噪聲增加這首先就從本質(zhì)上使采用PLL的做法變得毫無(wú)意義

圖3可編程PLL架構

　　所需要的東西等效于一個(gè)頻帶非常窄的跟蹤濾波器該濾波器接受一個(gè)具有RJ和DJ的輸入且最終輸出只產(chǎn)生盡可能低的本征RJ為此人們發(fā)現FailSafe架構具有那些飽受系統DJ困擾的系統所追尋的特性雖然RJ始終存在但減輕RJ被證明同樣是值得考慮的FailSafe^TM還根據高抖動(dòng)衰減提出了大時(shí)鐘倍頻比的概念而這在采用標準PLL器件時(shí)是非常難以實(shí)現的由于我們正在處理的是如何減輕抖動(dòng)因而此類(lèi)應用完全有理由使用一個(gè)更加合適的名稱(chēng)在下文中所討論的器件被稱(chēng)為帶寬可調抖動(dòng)衰減器或BAJA芯片

　　BAJA架構概述

　　BAJA包括兩個(gè)通過(guò)前饋和反饋通路進(jìn)行通信的獨立本征功能電路第一項主要功能是對只能被緩沖或以這樣或那樣的方式校正至可用電容器所允許的最大偏移量的時(shí)鐘發(fā)生提供支持即VCXO作用校正需要一個(gè)基準輸入以及來(lái)自BAJA輸出的反饋信號然而在沒(méi)有基準輸入的情況下操作將繼續進(jìn)行這就是最初采用FailSafe架構的主要原因之一采用時(shí)鐘發(fā)生這一稱(chēng)謂是準確的因為它并不涉及合成一個(gè)晶體用于生成被用來(lái)滿(mǎn)足同步要求的基準頻率該功能被稱(chēng)為DCXO因為它起著(zhù)數字受控晶體振蕩器的作用由于采用了內部晶體容性陣列設計因此晶體的推挽操作原理與模-數轉換器相似由于高頻顫動(dòng)具有提高編解碼器的信噪比SNR的作用所以存在于基準輸入上的噪聲也會(huì )使DCXO響應產(chǎn)生高頻顫動(dòng)

　　DCXO的作用是產(chǎn)生一個(gè)相位噪聲非常低的振蕩器高Q值該振蕩器能夠通過(guò)反饋來(lái)在一個(gè)有限的頻偏范圍內對輸入進(jìn)行跟蹤從本質(zhì)上說(shuō)這仿效的是跟蹤濾波器的原理應當了解的是基準時(shí)鐘與晶體頻率之間不必有任何的共同之處這就為基準頻率走低至8kHz以控制BAJA并在具有極低抖動(dòng)的器件中生成一個(gè)頻率達數百赫茲的輸出創(chuàng )造了條件這種做法與能夠進(jìn)行倍頻但抖動(dòng)往往會(huì )因PLL環(huán)路更新速率較低而有所增加的傳統PLL設計存在著(zhù)很大的差異在BAJA架構中倍頻比可以達到幾個(gè)數量級而不會(huì )使抖動(dòng)響應發(fā)生劣化

　　在DCXO輸出之后是采用傳統PLL技術(shù)的時(shí)鐘合成及倍頻現在提供給PLL的是一個(gè)抖動(dòng)較低與原始基準無(wú)關(guān)而與跟蹤DXCO密切相關(guān)的高基準頻率高PLL基準頻率會(huì )轉化為用于前饋和反饋除法器的高校正速率BAJA的編程涉及到頻率比的選擇圖4示出了BAJA架構輸入定時(shí)脈沖源基準信號通過(guò)M分頻器之后可與通過(guò)N除法器的器件輸出進(jìn)行比較產(chǎn)生于M和N除法器之間差異的校正信息指示DCXO改變晶體頻率通過(guò)一個(gè)內部PLL所進(jìn)行的倍頻操作的作用是提供一個(gè)可編程輸出頻率和一個(gè)直接取自晶體信號源的基準后置分頻和通過(guò)N除法器所進(jìn)行的反饋的目的在于使器件與基準輸入相同步

圖4BAJA架構

　　旨在實(shí)現最佳抖動(dòng)衰減的BAJA調整

　　雖然尚有大量的實(shí)驗室分析工作有待完成但早期的經(jīng)驗數據表明輸出DJ在存在輸入DJ的情況下會(huì )發(fā)生顯著(zhù)的衰減為獲得最佳響應而對BAJA所進(jìn)行的編程將需要做一些實(shí)驗這是由于每個(gè)系統都會(huì )因其配置的不同而呈現出一組或多組獨特的噪聲分布一般而言人們首選的做法是維持PLL部分中的高校正速率即通過(guò)保持盡可能小的P和Q除數值來(lái)使PLL以盡可能高的速率運行并讓后置分頻器提供正確的輸出頻率M和N的最佳設置在滿(mǎn)足能夠最大限度地減少輸入DJ分量的DCXO采樣頻率的條件下進(jìn)行由于至BAJA輸入的PLL輸出是相關(guān)的如果需要實(shí)現同步的話(huà)所以之后需要對設置比進(jìn)行增減以達到上述目的實(shí)驗室分析在采用了能夠精確測量抖動(dòng)分布信息的儀表的情況下開(kāi)始進(jìn)行

　　其他一些具有次要影響但迄今為止幾乎未引起人們關(guān)注的因素存在于晶體部分與我們的窄帶濾波器非常相似晶體的Q值開(kāi)始成為藉以生成一個(gè)無(wú)噪聲的基準時(shí)鐘脈沖源并在DCXO高頻顫動(dòng)時(shí)設定頻率變換速率的方法就我們目前業(yè)已完成的有限工作臺試驗而言采用的是Q值略高于100K的晶體做出這種選擇純粹是基于這樣的考慮即當與該器件一道工作時(shí)最高的晶體Q值可能并不是唯一的目標對BAJA轉移函數進(jìn)行整形可能需要關(guān)注一些Q值較低的器件比如陶瓷諧振器以提供一種不同的響應分布這種概念也許會(huì )被用于降低EMI的擴頻系統所接受在這種系統中允許BAJA對響應曲線(xiàn)進(jìn)行整形以便讓特定的DJ信息通過(guò)

　　BAJA架構還支持一項額外功能該功能允許在器件中設置16種不同的抖動(dòng)衰減模式模式的選擇是通過(guò)外部引腳配置來(lái)完成的對于動(dòng)態(tài)可重構系統來(lái)說(shuō)這種方法被證明是極為有用的當在系統上進(jìn)行電路板的插拔操作時(shí)噪聲分布會(huì )發(fā)生改變BAJA的作用是為現有的特定電路板配置提供優(yōu)化的抖動(dòng)衰減可對一個(gè)FailSafe輸出系統鎖定進(jìn)行邏輯監控以確保獲得完全的器件同步 {{分頁(yè)}}

　　實(shí)驗的設計

　　最為困難的工作之一是如何定義一組能夠滿(mǎn)足某些常見(jiàn)系統表示法的噪聲條件選擇了兩種受控噪聲注入分布該過(guò)程包括增加平均高斯白噪聲我們的RJ影響以及通過(guò)對一個(gè)方波進(jìn)行微分處理以抽取邊緣速率信息的方法來(lái)進(jìn)行脈沖調制后者的目的是在信號上生成一個(gè)DJ分量載波音輸入由一個(gè)噪聲層特性遠遠低于噪聲調制分布的無(wú)干擾型音頻發(fā)生器提供的該載頻的漂移也非常低于是長(cháng)期抖動(dòng)特性保持穩定載頻和調制信號源輸入均被饋入調制器而調制器的輸出則被傳遞給至BAJA器件的基準輸入

　　由于噪聲測量從很大程度上來(lái)說(shuō)是一種統計特性測量因此我們的實(shí)驗設計要求采用歸一化常數來(lái)獲得一個(gè)基準點(diǎn)在這種場(chǎng)合調制指數將被增加直到一個(gè)1ns峰-峰測量結果能夠在10s的最大時(shí)間窗口間隔上保持一致為止從統計的立場(chǎng)出發(fā)我們的分析捕獲了至少6的采樣內容

圖5測試輸入配置

　　我們所做的第一個(gè)試驗是采用一個(gè)具有良好工作性能的白高斯噪聲信號源來(lái)對一個(gè)音調進(jìn)行調制對于脈沖系統必須規定重復頻率和占空比的選擇依據對于脈沖頻率研究了100kHz和33kHz兩種設計依據其中100kHz用于模擬一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源而33kHz則用于受EMI影響的系統和擴頻定時(shí)解決方案中的典型調制頻率當占空比被選為50%時(shí)脈沖頻率即被選定為33kHz調制信號源的頻率被增加直至觀(guān)測到一個(gè)1ns的峰-峰輸出調制幅度為止

　　試驗結果

　　表1羅列了針對BAJA配置的編程參數設置由于BAJA是可編程的故可以選用多種系統專(zhuān)用頻率本次試驗的目的在于將一個(gè)分別滿(mǎn)足2.048MHz和155.52MHz的輸入和輸出標準的晶體用作通用通信頻率并未嘗試針對輸入DJ來(lái)優(yōu)化校正速率

表1BAJA可編程配置

　　表2至表4 匯總了實(shí)驗室數據結果針對AWGN輸入條件進(jìn)行了三項測量并采用脈沖注入對DJ進(jìn)行了相同項目的測量每組測量均包括周期至周期以及1s和10s間隔這三個(gè)項目對各個(gè)BAJA輸入至輸出做了比較表4包括了本征測量以便于對實(shí)驗室設置的噪聲層有一個(gè)更好的認識雖然本征噪聲層看上去并不令人滿(mǎn)意今后還需在某些方面加以改進(jìn)但毋庸置疑的是BAJA在未調制條件下將繼續展現優(yōu)良的工作性能

表2AWGN輸入的累積抖動(dòng)單位ps

表3方波調制的累積抖動(dòng)單位ps

表4實(shí)驗室參數的本征噪聲層單位ps

　　從以上的表格可見(jiàn)在最小抖動(dòng)注入為42psRMS的情況下實(shí)現了8.4psRMS的BAJA噪聲層在標準的實(shí)驗室試驗條件下周期至周期抖動(dòng)至少降低了4倍而且長(cháng)期測量結果顯示時(shí)間間隔為1s時(shí)抖動(dòng)至少衰減4倍而在時(shí)間間隔為10s的極端條件下的抖動(dòng)衰減倍數為2不包括表4

　　表中還列出了相同設置條件下的峰-峰累積抖動(dòng)和DJ令人驚訝的是BAJA的運用使得DJ顯著(zhù)下降達到了儀表的分辨率水平當我發(fā)現DJ幾乎為零時(shí)一度感到難以相信但最終還是接受了事實(shí)是當下一次您的系統中充斥了DJ時(shí)不管在什么情況下BAJA都會(huì )為您提供一個(gè)值得認真研究的衰減DJ響應

總結

　　對于需要考慮DJ的系統BAJA可以提供幫助雖然從本質(zhì)上說(shuō)噪聲是任何系統的一部分但是如果您想大幅度地減少重新設計的工作量則噪聲衰減機制或許就是至關(guān)重要的一環(huán)就DCXO校正速率在優(yōu)化抖動(dòng)衰減以及晶體Q值的選擇依據方面所起的作用而言BAJA還有許多工作要做然而根據最新的實(shí)驗室信息以及所提供的一致性數值當下一次時(shí)鐘脈沖源上需要進(jìn)行嚴格的信號修整時(shí)BAJA或許就是能夠滿(mǎn)足您要求的解決方案