PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性培訓(xùn)-第4章(共4章)

1、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性安安 琪琪中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 快電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室快電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室2005年年4月月9日日中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪2第第3 3講：時(shí)鐘技術(shù)講：時(shí)鐘技術(shù)3-1 一些基本概念和定義一些基本概念和定義3-2 時(shí)鐘的產(chǎn)生時(shí)鐘的產(chǎn)生3-3 時(shí)鐘的傳輸和分布時(shí)鐘的傳輸和分布 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪3系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘在高速數(shù)字系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色，就像一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘在高速數(shù)字系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色，就像一個(gè)“節(jié)拍節(jié)拍”發(fā)生器，發(fā)生器，協(xié)調(diào)著高速數(shù)字系統(tǒng)各部分的工作。如同一個(gè)交響樂(lè)隊(duì)的指揮，是核心和靈魂。協(xié)調(diào)著高速數(shù)字系統(tǒng)各部

2、分的工作。如同一個(gè)交響樂(lè)隊(duì)的指揮，是核心和靈魂。系統(tǒng)時(shí)鐘的性能好壞，直接關(guān)系著整個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)的工作和整體性能。因此，系統(tǒng)時(shí)鐘的性能好壞，直接關(guān)系著整個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)的工作和整體性能。因此，系統(tǒng)時(shí)鐘的產(chǎn)生，傳輸和分布在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一個(gè)關(guān)鍵所在，其重要性是系統(tǒng)時(shí)鐘的產(chǎn)生，傳輸和分布在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一個(gè)關(guān)鍵所在，其重要性是這么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分。這么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)（系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)（ClockJitters）、時(shí)鐘偏差）、時(shí)鐘偏差（ClockSkew），信號(hào)完整性（），信號(hào)完整性（SignalIntegrity）等性能指

3、標(biāo)的要求，將時(shí)鐘信號(hào)）等性能指標(biāo)的要求，將時(shí)鐘信號(hào)傳遞到系統(tǒng)的各個(gè)部件中去。傳遞到系統(tǒng)的各個(gè)部件中去。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)的任務(wù)基本可以分為兩部分：系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)的任務(wù)基本可以分為兩部分：高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。時(shí)鐘信號(hào)的傳輸與分布。時(shí)鐘信號(hào)的傳輸與分布。在討論高速數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)之前，首先說(shuō)明有關(guān)時(shí)鐘的一些基本概念。在討論高速數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)之前，首先說(shuō)明有關(guān)時(shí)鐘的一些基本概念。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪43-1 一些基本概念和定義3-1-1 3-1-1 時(shí)鐘偏差（時(shí)鐘偏差（ClockSkew） 時(shí)鐘偏差：時(shí)鐘信號(hào)的理想時(shí)鐘偏差：時(shí)鐘信號(hào)的理想“沿變沿變”和實(shí)際上的和實(shí)際上的“沿

4、變沿變”之差。之差。 在實(shí)際系統(tǒng)中，造成時(shí)鐘信號(hào)的在實(shí)際系統(tǒng)中，造成時(shí)鐘信號(hào)的“沿變沿變”與理想與理想“沿變沿變”存在著差別的一個(gè)主要存在著差別的一個(gè)主要原因是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯器件時(shí)，其傳輸延遲時(shí)間上存在著差別。因此，人們也原因是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯器件時(shí)，其傳輸延遲時(shí)間上存在著差別。因此，人們也常直觀地將時(shí)鐘偏差定義為常直觀地將時(shí)鐘偏差定義為器件輸出時(shí)鐘信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間之差器件輸出時(shí)鐘信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間之差。ABCACB圖圖3-1-1 時(shí)鐘偏差的定義時(shí)鐘偏差的定義中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪5內(nèi)部時(shí)鐘偏差內(nèi)部時(shí)鐘偏差和和外部時(shí)鐘偏差外部時(shí)鐘偏差 從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不

5、同，或者負(fù)載條件的不同，都有從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有可能引起時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)際可能引起時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)際“沿變沿變”與理想的與理想的“沿變沿變”不同。因此可以將時(shí)鐘偏差分為兩不同。因此可以將時(shí)鐘偏差分為兩類：類：內(nèi)部時(shí)鐘偏差（內(nèi)部時(shí)鐘偏差（IntrinsicSkew）：）： 一種是由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號(hào)延遲上的差別。一種是由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號(hào)延遲上的差別。外部時(shí)鐘偏差（外部時(shí)鐘偏差（ExtrinsicSkew）：）： 另一種是由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別，被稱為外部時(shí)鐘偏差另一種是由于連線

6、延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別，被稱為外部時(shí)鐘偏差（ExtrinsicSkew） 。InOut負(fù)負(fù)載載Intrinsic SkewEntrinsic Skew連線Clock_Out圖圖4-1-2時(shí)鐘信號(hào)的內(nèi)、外時(shí)鐘信號(hào)的內(nèi)、外Skew源示意源示意圖圖 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪6時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能損失為了度量由于時(shí)鐘偏差引起的系統(tǒng)時(shí)鐘性能損失，人們引進(jìn)了一個(gè)指標(biāo)，稱為時(shí)鐘性為了度量由于時(shí)鐘偏差引起的系統(tǒng)時(shí)鐘性能損失，人們引進(jìn)了一個(gè)指標(biāo)，稱為時(shí)鐘性能損失（能損失（Performance PenaltyPerformance Penalty），它的定義如下：），它的定義如下：時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能

7、損失 = = （4-1-14-1-1）其中，其中，F(xiàn) F為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，單位為赫茲（為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，單位為赫茲（Hz）；）；D D為時(shí)鐘偏差為時(shí)鐘偏差, , 單位為單位為秒（秒（s s）。 時(shí)鐘性能損失的大小是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘偏差的函數(shù)。時(shí)鐘性能損失的大小是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘偏差的函數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定時(shí)鐘偏差大小的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高，時(shí)鐘性能損失增大；對(duì)于一個(gè)給定時(shí)鐘偏差大小的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高，時(shí)鐘性能損失增大；同樣，對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘偏差的大小也直接影響著時(shí)鐘性能損失。同樣，對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘偏差的大小也直接影響著時(shí)鐘性能損失。%100DF中

8、國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪7圖圖4-1-3時(shí)鐘性能損失的示意圖時(shí)鐘性能損失的示意圖圖圖4-1-34-1-3給出了時(shí)鐘性能損失隨系統(tǒng)時(shí)鐘頻率變化和時(shí)鐘偏差大小變化的例子。給出了時(shí)鐘性能損失隨系統(tǒng)時(shí)鐘頻率變化和時(shí)鐘偏差大小變化的例子。中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪8時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能損失事實(shí)上，時(shí)鐘性能損失表征的是時(shí)鐘偏差占時(shí)鐘信號(hào)周期的百分比，也就是事實(shí)上，時(shí)鐘性能損失表征的是時(shí)鐘偏差占時(shí)鐘信號(hào)周期的百分比，也就是相對(duì)比值。因此，相對(duì)比值。因此，時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能損失可以直接用可以直接用時(shí)鐘偏差占時(shí)鐘信號(hào)周期的比值來(lái)時(shí)鐘偏差占時(shí)鐘信號(hào)周期的比值來(lái)定定義：義：時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能損失 = = （4-1-

9、24-1-2）其中，其中，T=1/F F為系統(tǒng)時(shí)鐘的周期為秒（為系統(tǒng)時(shí)鐘的周期為秒（s s）。 對(duì)于前例，時(shí)鐘性能損失對(duì)于前例，時(shí)鐘性能損失=D/T=5ns/(1/25MHz)=5ns/40ns=0.125TD中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪94-1-2 4-1-2 內(nèi)部時(shí)鐘偏差的分類內(nèi)部時(shí)鐘偏差的分類 由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘偏差，或者說(shuō)內(nèi)部時(shí)鐘偏差，從時(shí)鐘偏差產(chǎn)生的機(jī)制上由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘偏差，或者說(shuō)內(nèi)部時(shí)鐘偏差，從時(shí)鐘偏差產(chǎn)生的機(jī)制上考慮，可以被劃分為三種：考慮，可以被劃分為三種： 1 1占空比偏差（占空比偏差（Duty Cycle SkewDuty Cycle Skew）|PHLPLHP

10、Sttt（4-1-34-1-3） 時(shí)鐘信號(hào)上升沿的傳輸延遲時(shí)間時(shí)鐘信號(hào)上升沿的傳輸延遲時(shí)間T TPLHPLH與下與下降沿的傳輸延遲時(shí)間降沿的傳輸延遲時(shí)間T TPHLPHL之間的差。之間的差。T TPLHPLH和和T TPHLPHL的差會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘脈沖的寬度失真。的差會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘脈沖的寬度失真。 有時(shí)也稱其有時(shí)也稱其為脈沖偏差（為脈沖偏差（Pulse SkewPulse Skew）。）。 占空比偏差實(shí)質(zhì)上是表征一個(gè)邏輯芯片的占空比偏差實(shí)質(zhì)上是表征一個(gè)邏輯芯片的同一個(gè)管腳對(duì)時(shí)鐘信號(hào)不同沿變（或稱：跳變）同一個(gè)管腳對(duì)時(shí)鐘信號(hào)不同沿變（或稱：跳變）的傳輸延遲特性，因此定義參數(shù)的傳輸延遲特性，因此定義參數(shù)t

11、 tPSPS來(lái)表征占空來(lái)表征占空比偏差的大?。罕绕畹拇笮。?圖圖4-1-4時(shí)鐘信號(hào)的占空比偏差時(shí)鐘信號(hào)的占空比偏差 tPLHtPHL理想時(shí)鐘理想時(shí)鐘實(shí)際時(shí)鐘實(shí)際時(shí)鐘中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪10時(shí)鐘信號(hào)的脈寬之差時(shí)鐘信號(hào)的脈寬之差 由圖由圖4-1-44-1-4可看出：時(shí)鐘信號(hào)沿的傳輸延遲時(shí)間可看出：時(shí)鐘信號(hào)沿的傳輸延遲時(shí)間T TPLHPLH與與T TPHLPHL之間的之差就等于時(shí)鐘信號(hào)之間的之差就等于時(shí)鐘信號(hào)正負(fù)脈沖的寬度之差。因此正負(fù)脈沖的寬度之差。因此t tPSPS也可以用時(shí)鐘信號(hào)的脈寬之差來(lái)表示：也可以用時(shí)鐘信號(hào)的脈寬之差來(lái)表示：|LOWHIGHPSttt（4-1-44-1-4） 時(shí)鐘信

12、號(hào)的占空比可以用百分比的形式表示，如時(shí)鐘信號(hào)的占空比可以用百分比的形式表示，如45%:55%45%:55%，經(jīng)常將，經(jīng)常將% %忽略，直接表示為：忽略，直接表示為：45:5545:55。 當(dāng)當(dāng)t tPSPS存在時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的頻率越高，對(duì)存在時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的頻率越高，對(duì)t tPSPS大小的大小的要求就越高。要求就越高。 如：對(duì)于一個(gè)頻率為如：對(duì)于一個(gè)頻率為25MHz25MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，若要求的系統(tǒng)時(shí)鐘，若要求其占空比為其占空比為4545：55%55%時(shí)，則時(shí)，則t tPSPS不能超過(guò)不能超過(guò)4ns4ns。這時(shí)要求：。這時(shí)要求：T TPLHPLH 18ns 18ns，同時(shí)有，同時(shí)有T TPHLPH

13、L 22ns 22ns；或者；或者T TPHLPHL 18ns 18ns， 同時(shí)有同時(shí)有T TPLHPLH 22ns22ns。 而對(duì)于一個(gè)而對(duì)于一個(gè)50MHz50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，則的系統(tǒng)時(shí)鐘，則t tPSPS不能超過(guò)不能超過(guò)2ns2ns，即要求：即要求：T TPLHPLH 9ns 9ns，同時(shí)有，同時(shí)有T TPHLPHL 11ns 11ns；或者；或者T TPHLPHL 9ns 9ns， 同時(shí)有同時(shí)有T TPLHPLH 11ns 11ns。 圖圖4-1-5時(shí)鐘信號(hào)的脈沖偏差時(shí)鐘信號(hào)的脈沖偏差tHIGHtLOW中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪112 2輸出管腳間偏差（輸出管腳間偏差（Output-to

14、-Output SkewOutput-to-Output Skew） 輸出管腳間偏差（輸出管腳間偏差（Output-to-Output SkewOutput-to-Output Skew）被定義為在一個(gè)器件內(nèi)各輸出管腳之間）被定義為在一個(gè)器件內(nèi)各輸出管腳之間的最大傳輸延遲之差，因此也稱為：的最大傳輸延遲之差，因此也稱為： Pin-to-Pin Skew Pin-to-Pin Skew 。在一般的邏輯器件手冊(cè)中，輸。在一般的邏輯器件手冊(cè)中，輸出時(shí)鐘信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間定義有兩種：輸出時(shí)鐘信號(hào)由高到低的傳輸延遲時(shí)間出時(shí)鐘信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間定義有兩種：輸出時(shí)鐘信號(hào)由高到低的傳輸延遲時(shí)間T TPHLPH

15、L和由和由低到高的傳輸延遲時(shí)間低到高的傳輸延遲時(shí)間T TPLHPLH，所以輸出管腳間偏差也有兩個(gè)定義，即，所以輸出管腳間偏差也有兩個(gè)定義，即: : t tOSHLOSHL（Output Skew for High-to-Low TransitionsOutput Skew for High-to-Low Transitions） t tOSLHOSLH（Output Skew for Low-to-High TransitionsOutput Skew for Low-to-High Transitions）其具體定義為：其具體定義為： |minmaxPHLPHLOSHLttt（4-1-5-1

16、-5）|minmaxPLHPLHOSLHttt（4-1-6-1-6）圖圖4-1-6時(shí)鐘信號(hào)的輸出管腳間偏差時(shí)鐘信號(hào)的輸出管腳間偏差tOSHL理想時(shí)鐘理想時(shí)鐘output1output2tOSLH中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪123.3.器件間偏差（器件間偏差（Part-to-Part SkewPart-to-Part Skew） 定義：定義： 在一個(gè)系統(tǒng)中，不同器件的輸出上升沿（下降沿）之間的延遲時(shí)間差別。在一個(gè)系統(tǒng)中，不同器件的輸出上升沿（下降沿）之間的延遲時(shí)間差別。用用 表示。表示。 tskewpp對(duì)各種產(chǎn)品手冊(cè)給出的對(duì)各種產(chǎn)品手冊(cè)給出的Part-to-Part SkewPart-to-Part

17、 Skew指標(biāo)，我們需要特別給予關(guān)注，指標(biāo)，我們需要特別給予關(guān)注， 必須明必須明確所給指標(biāo)的限定條件。這是因?yàn)榇_所給指標(biāo)的限定條件。這是因?yàn)镻art-to-Part SkewPart-to-Part Skew的大小與兩個(gè)因素有關(guān)：一是時(shí)的大小與兩個(gè)因素有關(guān)：一是時(shí)鐘傳輸過(guò)程的變化，或者說(shuō)是時(shí)鐘傳輸?shù)木唧w形式不同。二是不同器件所處環(huán)境的變鐘傳輸過(guò)程的變化，或者說(shuō)是時(shí)鐘傳輸?shù)木唧w形式不同。二是不同器件所處環(huán)境的變化。化。 電源電壓變化和環(huán)境溫度變化是硅器件中影響傳輸延遲的兩個(gè)主要因素，對(duì)電源電壓變化和環(huán)境溫度變化是硅器件中影響傳輸延遲的兩個(gè)主要因素，對(duì)Part-Part-to-Part Skewt

18、o-Part Skew指標(biāo)來(lái)說(shuō)，這是非常重要的限定條件。指標(biāo)來(lái)說(shuō)，這是非常重要的限定條件。 對(duì)于單電源的單板系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，板上各元件使用相同的電源。電源的變化對(duì)對(duì)于單電源的單板系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，板上各元件使用相同的電源。電源的變化對(duì)Part-to-Part-to-Part SkewPart Skew影響就小一些。而在多電源、多板系統(tǒng)中，電源的變化對(duì)影響就小一些。而在多電源、多板系統(tǒng)中，電源的變化對(duì)Part-to-Part Part-to-Part SkewSkew影響就成為一個(gè)重要的因數(shù)。即使不同的板使用同一電源，但由于各處對(duì)電源電影響就成為一個(gè)重要的因數(shù)。即使不同的板使用同一電源，但由于各處對(duì)電源電流的

19、需求不同，使得各板上實(shí)際得到電源電壓也不同。流的需求不同，使得各板上實(shí)際得到電源電壓也不同。 環(huán)境溫度變化的影響更為復(fù)雜，由于各元件本身產(chǎn)生的熱量不同，元件分布的密環(huán)境溫度變化的影響更為復(fù)雜，由于各元件本身產(chǎn)生的熱量不同，元件分布的密度不同，散熱條件不同，使得個(gè)元件所處位置的實(shí)際溫度差別很大。因而，會(huì)產(chǎn)生較度不同，散熱條件不同，使得個(gè)元件所處位置的實(shí)際溫度差別很大。因而，會(huì)產(chǎn)生較大的大的Part-to-Part SkewPart-to-Part Skew。 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪134-1-3 4-1-3 時(shí)鐘抖動(dòng)（時(shí)鐘抖動(dòng)（Clock JittersClock Jitters） 時(shí)鐘偏差雖

20、然對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的性能影響很大，但其影響可以認(rèn)為基本上是一種靜態(tài)時(shí)鐘偏差雖然對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的性能影響很大，但其影響可以認(rèn)為基本上是一種靜態(tài)因素，或者說(shuō)，其影響是固定的。因素，或者說(shuō)，其影響是固定的。 定義：定義： 當(dāng)實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的邊沿與理想時(shí)鐘邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電當(dāng)實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的邊沿與理想時(shí)鐘邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時(shí)，而且這種變化是隨機(jī)的，這種現(xiàn)象就是我們常說(shuō)的時(shí)源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時(shí)，而且這種變化是隨機(jī)的，這種現(xiàn)象就是我們常說(shuō)的時(shí)鐘抖動(dòng)，或者說(shuō)時(shí)鐘晃動(dòng)。這種偏離相對(duì)于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，如鐘抖動(dòng)，或者說(shuō)時(shí)鐘晃動(dòng)

21、。這種偏離相對(duì)于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，如圖圖7-1-77-1-7所示。時(shí)鐘抖動(dòng)的數(shù)值表示通常有兩種：所示。時(shí)鐘抖動(dòng)的數(shù)值表示通常有兩種： 時(shí)鐘抖動(dòng)的最大值，即：峰時(shí)鐘抖動(dòng)的最大值，即：峰- -峰值（峰值（Peak-PeakPeak-Peak），單位一般為皮秒，常用），單位一般為皮秒，常用 psps來(lái)表示。來(lái)表示。 時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（ ），單位一般也為皮秒），單位一般也為皮秒。圖圖4-1-7 時(shí)鐘抖動(dòng)示意圖時(shí)鐘抖動(dòng)示意圖中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪14時(shí)鐘抖動(dòng)的分類時(shí)鐘抖動(dòng)的分類 一一. . 周期抖動(dòng)（周期抖動(dòng)（Period J

22、itterPeriod Jitter） 周期抖動(dòng)也被稱為短時(shí)間抖動(dòng)（周期抖動(dòng)也被稱為短時(shí)間抖動(dòng)（short-term jittershort-term jitter）。它是指相對(duì)于理想輸）。它是指相對(duì)于理想輸入的時(shí)鐘周期而言，輸出時(shí)鐘跳變偏離其理想位置的偏離量，如圖入的時(shí)鐘周期而言，輸出時(shí)鐘跳變偏離其理想位置的偏離量，如圖4-1-84-1-8所示。所示。 理想的輸入時(shí)鐘周期是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，但是實(shí)際輸出時(shí)鐘的每個(gè)周期與理想理想的輸入時(shí)鐘周期是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，但是實(shí)際輸出時(shí)鐘的每個(gè)周期與理想周期都有差值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的這種差值的最大值即為周期抖動(dòng)的峰周期都有差值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的這

23、種差值的最大值即為周期抖動(dòng)的峰- -峰值，峰值，如式如式(4-1-7)(4-1-7)所示。所示。通常把時(shí)鐘抖動(dòng)分為三類：通常把時(shí)鐘抖動(dòng)分為三類： 周期抖動(dòng)（周期抖動(dòng)（Period JitterPeriod Jitter），），Cycle-to-Cycle Cycle-to-Cycle 抖動(dòng)和長(zhǎng)期時(shí)鐘抖動(dòng)（抖動(dòng)和長(zhǎng)期時(shí)鐘抖動(dòng)（Long Term Long Term JitterJitter）)()()(nperjitperPPtMaxJitter其中：其中：JitterP-P(per)為周期抖動(dòng)的峰為周期抖動(dòng)的峰-峰值，峰值，tJit(per)n為為在單次測(cè)量中，時(shí)鐘的實(shí)際周期與理想周期在單次測(cè)

24、量中，時(shí)鐘的實(shí)際周期與理想周期的偏差，的偏差，n為整數(shù)。為整數(shù)。圖圖4-1-8 4-1-8 周期抖動(dòng)示意圖周期抖動(dòng)示意圖（4-1-7-1-7）中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪15時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值RMSJitter 時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值經(jīng)常也用時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值經(jīng)常也用 表示，如式（表示，如式（4-1-94-1-9）所示。）所示。 按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值可以由式（按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值可以由式（4-1-84-1-8）描述。）描述。 其中，其中， 表示時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值，表示時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值，t ti i表示時(shí)鐘周期的第表示時(shí)鐘周

25、期的第i i次測(cè)量值，次測(cè)量值，T T表示時(shí)鐘周期表示時(shí)鐘周期的理想值。的理想值。 2102)(TTtJitteriiRMS（4-1-84-1-8）2102)(TTtii（4-1-94-1-9）中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪16抖動(dòng)的均方差值與峰抖動(dòng)的均方差值與峰- -峰值峰值 按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，時(shí)鐘周按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，時(shí)鐘周期抖動(dòng)的均方差值與峰期抖動(dòng)的均方差值與峰- -峰值的關(guān)系峰值的關(guān)系可以由式（可以由式（4-1-104-1-10）描述。）描述。 （4-1-104-1-10）RMSPPt7t中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪17半周期抖動(dòng)（半周期抖動(dòng)（Half-Period JitterHalf-Pe

26、riod Jitter）)()(max)(nhperJithperJittMaxt 近年來(lái)一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即：雙數(shù)據(jù)率（近年來(lái)一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即：雙數(shù)據(jù)率（Double Data RateDouble Data Rate，簡(jiǎn)稱：，簡(jiǎn)稱：DDRDDR）得到了大量的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步傳輸技術(shù)不同，得到了大量的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步傳輸技術(shù)不同，DDRDDR數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)利用時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)利用時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)邊沿，即時(shí)鐘的上升沿和下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了一倍。兩個(gè)邊沿，即時(shí)鐘的上升沿和下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了一倍。由于有了這種新

27、的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，所謂的由于有了這種新的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，所謂的“Half-Period Jitter”Half-Period Jitter”的新概念被提出。的新概念被提出。“Half-Period Jitter”Half-Period Jitter”是指相對(duì)于理想輸入時(shí)鐘周期而言，在半個(gè)時(shí)鐘周期里，輸出時(shí)是指相對(duì)于理想輸入時(shí)鐘周期而言，在半個(gè)時(shí)鐘周期里，輸出時(shí)鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量，如圖鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量，如圖4-1-94-1-9所示。所示。（4-1-10-1-10） 圖圖4-1-94-1-9顯示了一個(gè)差分時(shí)鐘信顯示了一個(gè)差分時(shí)鐘信號(hào)的完整周期，即兩個(gè)半時(shí)鐘周期。號(hào)的完整周

28、期，即兩個(gè)半時(shí)鐘周期。理想的輸入時(shí)鐘的半個(gè)周期應(yīng)是兩倍理想的輸入時(shí)鐘的半個(gè)周期應(yīng)是兩倍的時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，但是實(shí)際輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，但是實(shí)際輸出時(shí)鐘的每半個(gè)周期與理想的半周期出時(shí)鐘的每半個(gè)周期與理想的半周期都有差值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的這種都有差值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得到的這種差值的最大值即為半周期抖動(dòng)的峰差值的最大值即為半周期抖動(dòng)的峰- -峰值，如式峰值，如式4-1-104-1-10所示。所示。圖圖4-1-9 Half-Period Jitter4-1-9 Half-Period Jitter示意圖示意圖中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪18二二. . 前后周期抖動(dòng)（前后周期抖動(dòng)（Cycle-to-C

29、ycle JitterCycle-to-Cycle Jitter）)()(nMaxccJitterMaxJitter 前后周期抖動(dòng)（前后周期抖動(dòng)（Cycle-to-Cycle JitterCycle-to-Cycle Jitter）是指后一個(gè)輸出時(shí)鐘周期相對(duì)于前一個(gè)輸）是指后一個(gè)輸出時(shí)鐘周期相對(duì)于前一個(gè)輸出時(shí)鐘周期的變化量，如圖出時(shí)鐘周期的變化量，如圖4-1-104-1-10所示。所示。Jitter1Jitter1為第為第2 2個(gè)時(shí)鐘周期與第個(gè)時(shí)鐘周期與第1 1個(gè)時(shí)鐘周期之間個(gè)時(shí)鐘周期之間的時(shí)鐘抖動(dòng)，而的時(shí)鐘抖動(dòng)，而Jitter2Jitter2則是第則是第3 3個(gè)時(shí)鐘周期與第個(gè)時(shí)鐘周期與第2

30、2個(gè)時(shí)鐘周期之間的時(shí)鐘抖動(dòng)。前后周期個(gè)時(shí)鐘周期之間的時(shí)鐘抖動(dòng)。前后周期抖動(dòng)一般用抖動(dòng)的最大值表示，即經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，其測(cè)量最大值抖動(dòng)一般用抖動(dòng)的最大值表示，即經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，其測(cè)量最大值Jitter(c-c)MaxJitter(c-c)Max就是其最就是其最大的大的Cycle-to-Cycle JitterCycle-to-Cycle Jitter。（4-1-11-1-11）圖圖4-1-10 Half-Period Jitter4-1-10 Half-Period Jitter示意圖示意圖中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪19Cycle-to-Cycle Jitter的測(cè)量 在時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量中，這種在時(shí)鐘抖動(dòng)

31、測(cè)量中，這種Cycle-to-Cycle JitterCycle-to-Cycle Jitter的測(cè)量是最為困難的，因?yàn)樾枰B續(xù)的測(cè)量是最為困難的，因?yàn)樾枰B續(xù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰的時(shí)鐘周期，這對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求非常高，而且為了掌握最大的測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰的時(shí)鐘周期，這對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求非常高，而且為了掌握最大的Cycle-Cycle-to-Cycle Jitterto-Cycle Jitter情況，需要測(cè)量大量的數(shù)據(jù)，需要大量的存儲(chǔ)、計(jì)算和比較。通常使用專情況，需要測(cè)量大量的數(shù)據(jù)，需要大量的存儲(chǔ)、計(jì)算和比較。通常使用專用的時(shí)間間隔分析儀（用的時(shí)間間隔分析儀（Timing Interval Analyz

32、erTiming Interval Analyzer）進(jìn)行測(cè)量。）進(jìn)行測(cè)量。 另一種測(cè)量方法是使用具有足夠內(nèi)存容量的寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器。在這種方法中，先另一種測(cè)量方法是使用具有足夠內(nèi)存容量的寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器。在這種方法中，先用數(shù)字存儲(chǔ)示波器一次存取大量周期的被測(cè)時(shí)鐘信號(hào)，然后使用商業(yè)有效的軟件或自己編用數(shù)字存儲(chǔ)示波器一次存取大量周期的被測(cè)時(shí)鐘信號(hào)，然后使用商業(yè)有效的軟件或自己編寫(xiě)的專用軟件進(jìn)行分析和計(jì)算，得到測(cè)試結(jié)果。圖寫(xiě)的專用軟件進(jìn)行分析和計(jì)算，得到測(cè)試結(jié)果。圖4-1-104-1-10是使用是使用LeCoryLeCory公司的數(shù)字存儲(chǔ)示公司的數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)試的一個(gè)波器測(cè)試的一個(gè)41MHz

33、41MHz時(shí)鐘的時(shí)鐘的Cycle-to-Cycle JitterCycle-to-Cycle Jitter。LeCroyScope:8600A(6GHz)LeCroyProbe:PP066(7.5GHz)圖圖4-1-10 4-1-10 一個(gè)一個(gè)41MHz41MHz時(shí)鐘的時(shí)鐘的Cycle-to-Cycle JitterCycle-to-Cycle Jitter中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪20三三. .長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng)（長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng)（Long-Term JitterLong-Term Jitter） 長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng)指的是測(cè)量經(jīng)過(guò)大量的時(shí)鐘周期后，輸出時(shí)鐘跳變偏離其理想位置的長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng)指的是測(cè)量經(jīng)過(guò)

34、大量的時(shí)鐘周期后，輸出時(shí)鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量。實(shí)際的時(shí)鐘周期數(shù)量取決于時(shí)鐘頻率和具體的應(yīng)用。對(duì)于最大偏離量。實(shí)際的時(shí)鐘周期數(shù)量取決于時(shí)鐘頻率和具體的應(yīng)用。對(duì)于PCPC機(jī)主板和圖像應(yīng)機(jī)主板和圖像應(yīng)用，這通常是用，這通常是10-2010-20 S S。圖圖 4-1-11 4-1-11 長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間時(shí)鐘抖動(dòng) 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪21時(shí)鐘抖動(dòng)的表示方法時(shí)鐘抖動(dòng)的表示方法 用絕對(duì)時(shí)間來(lái)表示抖動(dòng)量，即變化沿偏離理想位置的時(shí)間。在敘述上用絕對(duì)時(shí)間來(lái)表示抖動(dòng)量，即變化沿偏離理想位置的時(shí)間。在敘述上面幾種度量方法面幾種度量方法 時(shí)，均以絕對(duì)時(shí)間來(lái)表示。時(shí)，均以絕對(duì)時(shí)間來(lái)表示。 用百分比來(lái)

35、表示抖動(dòng)量，即絕對(duì)抖動(dòng)量在一個(gè)周期中所占的百分比。用百分比來(lái)表示抖動(dòng)量，即絕對(duì)抖動(dòng)量在一個(gè)周期中所占的百分比。 用角度來(lái)表示抖動(dòng)量。把一個(gè)周期定義為用角度來(lái)表示抖動(dòng)量。把一個(gè)周期定義為360360 ，抖動(dòng)被表示為，抖動(dòng)被表示為360360 中中一個(gè)角度。一個(gè)角度。 用均方根值用均方根值ttRMSRMS（RMS JitterRMS Jitter）來(lái)表示抖動(dòng)量，這是抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)量，可以用峰）來(lái)表示抖動(dòng)量，這是抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)量，可以用峰- -峰間的峰間的 抖動(dòng)值（抖動(dòng)值（Peak-Peak JitterPeak-Peak Jitter）來(lái)近似地表示抖動(dòng)的均方根值）來(lái)近似地表示抖動(dòng)的均方根值ttRMSRMS

36、，它們之間的近似關(guān)，它們之間的近似關(guān) 系為：系為：例：例： 假定時(shí)鐘頻率為假定時(shí)鐘頻率為155.52MHz155.52MHz，那么它的周期為，那么它的周期為 1/155.52MHz = 6.43ns = 3601/155.52MHz = 6.43ns = 360 。假定。假定 峰峰- -峰抖動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間為峰抖動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間為100ps100ps，那么：，那么： 抖動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間： 100ps 100ps 1.55521.5552 （百分比抖動(dòng)）（百分比抖動(dòng)） 5.5985.598 （角度抖動(dòng)）（角度抖動(dòng)） 抖動(dòng)的抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)量：統(tǒng)計(jì)量：均方根值為：均方根值為： 100ps / 7 =

37、14.286 ps100ps / 7 = 14.286 ps RMS RMS 占周期的百分比：占周期的百分比： 0.015552 / 7 = 0.222170.015552 / 7 = 0.22217RMSPPt7t（4-1-124-1-12）中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪22同步時(shí)序方程同步時(shí)序方程同步數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制同步數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制- -時(shí)序方程：時(shí)序方程：jitterskewsetupflightvalidCLKCLKtttT(max)(max)1jitterskewholdflightvalidCLKCLKttt(max)(min)(min)建立方程：建立方程：保持方程：保持方程：中國(guó)科大 快電

38、子學(xué) 安琪23本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié) 實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)總是存在著誤差，指的是實(shí)際的時(shí)鐘信號(hào)總是存在著誤差，指的是“時(shí)鐘信號(hào)的理想時(shí)鐘信號(hào)的理想“沿變沿變”和實(shí)際上和實(shí)際上 的的“沿變沿變”之差之差”。 時(shí)鐘信號(hào)的誤差，按誤差性質(zhì)來(lái)分，可以分為兩種：時(shí)鐘信號(hào)的誤差，按誤差性質(zhì)來(lái)分，可以分為兩種： 時(shí)鐘偏差（時(shí)鐘偏差（Clock SkewClock Skew）：）： 靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差。 時(shí)鐘抖動(dòng)（時(shí)鐘抖動(dòng)（Clock JittersClock Jitters）：動(dòng)態(tài)誤差。）：動(dòng)態(tài)誤差。 時(shí)鐘偏差的大小可用時(shí)鐘偏差的大小可用“時(shí)鐘性能損失時(shí)鐘性能損失”來(lái)表示，也可以用偏差的絕對(duì)來(lái)表示，也可以用偏差的絕對(duì)

39、數(shù)值表征。數(shù)值表征。 時(shí)鐘抖動(dòng)一般采用兩種方法度量：時(shí)鐘抖動(dòng)一般采用兩種方法度量： 峰峰- -峰值（峰值（Peak to PeakPeak to Peak） 均方根值（均方根值（RMSRMS） 同步時(shí)序方程同步時(shí)序方程RMSPPt7t中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪244-2時(shí)鐘的產(chǎn)生時(shí)鐘的產(chǎn)生 石英晶體振蕩器是目前數(shù)字電路設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的一種時(shí)鐘源。石英晶體振蕩器是目前數(shù)字電路設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的一種時(shí)鐘源。 在石英諧振器問(wèn)世之前，人們主要使用在石英諧振器問(wèn)世之前，人們主要使用LC振蕩器，其頻率穩(wěn)定性只能達(dá)到振蕩器，其頻率穩(wěn)定性只能達(dá)到10-4量級(jí)。自量級(jí)。自1880年法國(guó)物理學(xué)家比埃爾年法國(guó)物

40、理學(xué)家比埃爾 居里兄弟共同發(fā)現(xiàn)居里兄弟共同發(fā)現(xiàn)“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”起，揭開(kāi)了使用起，揭開(kāi)了使用“石英穩(wěn)頻石英穩(wěn)頻”的序幕。的序幕。1921年，在居里兄弟發(fā)現(xiàn)年，在居里兄弟發(fā)現(xiàn)“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”41年后，英國(guó)人年后，英國(guó)人Cady用用X切切50KHz晶體制晶體制成了世界上第一個(gè)晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定性達(dá)到成了世界上第一個(gè)晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定性達(dá)到10-5量級(jí)，比量級(jí)，比LC振蕩器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。振蕩器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨后被用于無(wú)線電廣播，播出了當(dāng)時(shí)穩(wěn)定性最高的無(wú)線電信號(hào)，引起了強(qiáng)烈反響。隨后被用于無(wú)線電廣播，播出了當(dāng)時(shí)穩(wěn)定性最高的無(wú)線電信號(hào)，引起了強(qiáng)烈反響。1927年，年，石英鐘問(wèn)世，作為石英鐘

41、問(wèn)世，作為“一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)”使用。科學(xué)家由此發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，結(jié)束使用?？茖W(xué)家由此發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，結(jié)束了以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的了以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的“地球時(shí)鐘地球時(shí)鐘”的歷史使命。的歷史使命。 石英諧振器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)決定了石英晶體振蕩器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)。前者石英諧振器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)決定了石英晶體振蕩器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)。前者的設(shè)計(jì)水平和制造工藝技術(shù)的每一次突破，都帶來(lái)了后者在性能指標(biāo)上的一次突破。的設(shè)計(jì)水平和制造工藝技術(shù)的每一次突破，都帶來(lái)了后者在性能指標(biāo)上的一次突破。 大體上，其頻率準(zhǔn)確性每二十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如：大體上，其頻率準(zhǔn)確性每二十年提高

42、一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如：1940年為年為10-310-4；1980年年為為10-510-6；2000年約為年約為10-610-7。 頻率穩(wěn)定性大約每十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。頻率穩(wěn)定性大約每十年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。4-2-1 晶體振蕩器晶體振蕩器中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪254-2-2 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 圖圖4-2-134-2-13是鎖相環(huán)電路的基本組成。盡管鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法多種多樣，但所有的設(shè)計(jì)都是鎖相環(huán)電路的基本組成。盡管鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)方法多種多樣，但所有的設(shè)計(jì)都包含了圖包含了圖4-2-134-2-13中的三個(gè)基本成分：中的三個(gè)基本成分： 鑒相器（鑒相器（Phase DetectorPhase Detec

43、tor，簡(jiǎn)稱為：，簡(jiǎn)稱為：PDPD） 低通濾波器（低通濾波器（Low Pass FilterLow Pass Filter，簡(jiǎn)稱為：，簡(jiǎn)稱為：LPWLPW） 壓控振蕩器（壓控振蕩器（Voltage Control OscillatorVoltage Control Oscillator，簡(jiǎn)稱為：簡(jiǎn)稱為： VCO）。）。鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上就是自動(dòng)相位控制，它是一個(gè)典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。它的基本功能是跟蹤輸入鎖相環(huán)實(shí)質(zhì)上就是自動(dòng)相位控制，它是一個(gè)典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。它的基本功能是跟蹤輸入信號(hào)的相位，這一功能是通過(guò)鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位差成比信號(hào)的相位，這一功能是通過(guò)鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與

44、輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位差成比例的電壓而完成的。相位誤差電壓通過(guò)低通濾波器，在那里抑制了噪聲和高頻信號(hào)成分。經(jīng)濾例的電壓而完成的。相位誤差電壓通過(guò)低通濾波器，在那里抑制了噪聲和高頻信號(hào)成分。經(jīng)濾波后的相位誤差電壓調(diào)制了波后的相位誤差電壓調(diào)制了VCOVCO頻率，重新在鑒相器中與輸入信號(hào)比較，直到頻率，重新在鑒相器中與輸入信號(hào)比較，直到VCOVCO輸出以固定輸出以固定的相位關(guān)系鎖住輸入信號(hào)。鎖相環(huán)通過(guò)跟蹤信號(hào)的相位，頻率同步和頻率跟蹤便獲得了。的相位關(guān)系鎖住輸入信號(hào)。鎖相環(huán)通過(guò)跟蹤信號(hào)的相位，頻率同步和頻率跟蹤便獲得了。圖圖4-2-13 4-2-13 鎖相環(huán)的三個(gè)基本組成部分鎖相環(huán)的三個(gè)

45、基本組成部分中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪264-2-3 直接數(shù)字合成（直接數(shù)字合成（DDS） 直接數(shù)字合成直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis，簡(jiǎn)稱為：簡(jiǎn)稱為：DDS） 直接數(shù)字合成是用數(shù)字控制的方法從一個(gè)參考時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生多種頻率的輸出時(shí)鐘。輸出時(shí)直接數(shù)字合成是用數(shù)字控制的方法從一個(gè)參考時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生多種頻率的輸出時(shí)鐘。輸出時(shí)鐘的頻率可以在大范圍內(nèi)變化，并且具有良好的頻率分辨率。在要求多種采樣率，且變化鐘的頻率可以在大范圍內(nèi)變化，并且具有良好的頻率分辨率。在要求多種采樣率，且變化靈活、范圍較大的應(yīng)用情況下，采用靈活、范圍較大的應(yīng)用情況下，采用DDSDDS技術(shù)來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘不失為一個(gè)

46、很好的途徑。技術(shù)來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘不失為一個(gè)很好的途徑。（一）（一）DDSDDS的工作原理的工作原理 圖圖4-2-204-2-20是一個(gè)是一個(gè)DDSDDS的基本原理框圖。它的基本技術(shù)是所謂的數(shù)字控制振蕩器技術(shù)的基本原理框圖。它的基本技術(shù)是所謂的數(shù)字控制振蕩器技術(shù)（NCONCO：Numerically Controlled OscillatorNumerically Controlled Oscillator）。）。輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器DAC濾波器濾波器低通低通fofcnnnnnN相位累加器 圖圖4-2-20 DDS的基本原理框圖的基本原理

47、框圖 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪27相位累加器的工作原理相位累加器的工作原理 DDS DDS的核心是相位累加器，如圖的核心是相位累加器，如圖4-2-204-2-20中（虛線框）所示。相位累加器由三部分組成，即中（虛線框）所示。相位累加器由三部分組成，即相位寄存器，相位寄存器， 相位寄存器和加法器。相位寄存器和加法器。 相位累加器的輸出隨系統(tǒng)參考時(shí)鐘（相位累加器的輸出隨系統(tǒng)參考時(shí)鐘（fC）的每一個(gè)周期更新一次，即在每一個(gè)時(shí)鐘周期，）的每一個(gè)周期更新一次，即在每一個(gè)時(shí)鐘周期，相位累加器的輸出都增加相位累加器的輸出都增加M大小。所以我們稱大小。所以我們稱M為相位增量。為相位增量。 假定假定 相位寄存器

48、的相位寄存器的M值為值為0000000101，而相位寄存器的初始值設(shè)定為，而相位寄存器的初始值設(shè)定為0000000000，則每一個(gè)時(shí)，則每一個(gè)時(shí)鐘周期，相位累加器的輸出增加鐘周期，相位累加器的輸出增加0000000101。如果相位累加器的字長(zhǎng)為。如果相位累加器的字長(zhǎng)為3232位，即位，即n n = 32 = 32，則相位，則相位累加器的輸出重新返回到累加器的輸出重新返回到0000000000的初始值需要的初始值需要 個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。 很顯然，很顯然，M值的大小決定了相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期（值的大小決定了相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期（T T）, , 我們有：我們有：TM

49、fnc21輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器DAC濾波器濾波器低通低通fofcnnnnnN相位累加器相位累加器322 由式（由式（4-2-204-2-20）可看出，）可看出，T T與與M成反比。成反比。M值越大，相位值越大，相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期就越小，反之依然。周期就越小，反之依然。（4-2-20） 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪28TurningEquation 如圖如圖4-2-204-2-20中所示：相位累加器的輸出用來(lái)作為一個(gè)正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址。該存儲(chǔ)器中所示：相位累加器的輸出用來(lái)作為一個(gè)正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

50、的地址。該存儲(chǔ)器存有一個(gè)完整周期正弦波所對(duì)應(yīng)的全部幅度值，所以，當(dāng)相位累加器的輸出對(duì)該存儲(chǔ)器尋址時(shí)，存有一個(gè)完整周期正弦波所對(duì)應(yīng)的全部幅度值，所以，當(dāng)相位累加器的輸出對(duì)該存儲(chǔ)器尋址時(shí)，就得到從就得到從0 0度到度到360360度正弦波波形中的一個(gè)相位點(diǎn)。因此，隨著相位累加器的輸出不斷變化（每度正弦波波形中的一個(gè)相位點(diǎn)。因此，隨著相位累加器的輸出不斷變化（每次增加次增加M大?。?，正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)正弦波幅度值就不斷被讀出。當(dāng)相位累加器全部大?。?，正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)正弦波幅度值就不斷被讀出。當(dāng)相位累加器全部輸出值被循環(huán)一次時(shí)（周期為輸出值被循環(huán)一次時(shí)（周期為T T），則正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

51、正好輸出一個(gè)完整周期的正弦波幅度），則正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器正好輸出一個(gè)完整周期的正弦波幅度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)DACDAC和一個(gè)低通濾波器輸出，形成一個(gè)完整的正弦波波形。和一個(gè)低通濾波器輸出，形成一個(gè)完整的正弦波波形。 對(duì)于一個(gè)對(duì)于一個(gè)n n位的相位累加器，一共有位的相位累加器，一共有 個(gè)可能的相位點(diǎn)，而個(gè)可能的相位點(diǎn)，而 相位寄存器中的相位寄存器中的M值則決定了值則決定了相位累加器每次增加的量。相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（相位累加器每次增加的量。相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（T T），就是正弦），就是正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出一個(gè)完整正弦波幅度數(shù)據(jù)的周

52、期。因此，輸出正弦波的頻率波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出一個(gè)完整正弦波幅度數(shù)據(jù)的周期。因此，輸出正弦波的頻率 （f f0 0）就是相位）就是相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（T T）的倒數(shù)。我們有：）的倒數(shù)。我們有：ncofMTf21（4-2-21） n2 式（式（4-2-21）是）是DDS的基本關(guān)系的基本關(guān)系式，被稱為式，被稱為“Turning Equation”。輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器DAC濾波器濾波器低通低通fofcnnnnnN相位累加器相位累加器中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪29DigitalPha

53、seWheeln2 數(shù)字相位輪很形象地解釋數(shù)字相位輪很形象地解釋了相位累加器的工作原理。了相位累加器的工作原理。 相位輪一周的相位點(diǎn)數(shù)量相位輪一周的相位點(diǎn)數(shù)量取決于取決于n n，最大值為：，最大值為： 。 M數(shù)值給出了每次相位變數(shù)值給出了每次相位變化的增量?；脑隽?。M大意味著相位輪大意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間少，旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間少，DDS輸出的信號(hào)頻率就高；輸出的信號(hào)頻率就高；M小則小則意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間多，時(shí)間多，DDS輸出的信號(hào)頻率輸出的信號(hào)頻率就低。就低。 輸出頻率的數(shù)值取決于三輸出頻率的數(shù)值取決于三個(gè)因素：個(gè)因素： M，n和工作時(shí)鐘和工作時(shí)

54、鐘fc。 圖圖4-2-21 相位累加器的數(shù)字相位輪表示相位累加器的數(shù)字相位輪表示 ncofMTf21中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪30DDS取樣輸出取樣輸出信號(hào)信號(hào)的頻譜的頻譜 類似于類似于ADC,ADC,當(dāng)當(dāng)DDSDDS中的正弦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)中的正弦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)DACDAC形成正弦波信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)中也同時(shí)形成正弦波信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)中也同時(shí)含有其混疊信號(hào)（含有其混疊信號(hào)（Aliased imageAliased image）的頻譜成份。）的頻譜成份。-3.92dB 圖圖4-2-23 DDS取樣輸出信號(hào)的頻譜取樣輸出信號(hào)的頻譜 中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪31低通濾波器（低通濾波器（LPF） 按照

55、仙農(nóng)取樣定理，輸出頻按照仙農(nóng)取樣定理，輸出頻 率可高達(dá)率可高達(dá)1/21/2的時(shí)鐘頻率。的時(shí)鐘頻率。 但必須有理想的濾波器。但必須有理想的濾波器。 理想濾波器是不現(xiàn)實(shí)的。理想濾波器是不現(xiàn)實(shí)的。 物理上可實(shí)現(xiàn)的濾波器物理上可實(shí)現(xiàn)的濾波器 將輸出頻率限制在時(shí)鐘頻率將輸出頻率限制在時(shí)鐘頻率 的的40%40%以內(nèi)。以內(nèi)。DDSLPFfo 圖圖4-2-24 低通濾波器低通濾波器中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪32DDS的特點(diǎn)的特點(diǎn) 輸出頻率范圍大輸出頻率范圍大 從從DDSDDS的基本關(guān)系式可以看出，改變相位增量的基本關(guān)系式可以看出，改變相位增量M值可以很方便地改變值可以很方便地改變DDSDDS的輸出頻率。理的輸出

56、頻率。理論上（仙農(nóng)取樣定理），論上（仙農(nóng)取樣定理），M值的取值范圍可以從值的取值范圍可以從1 1 2 2n-1n-1，變化范圍非常大。當(dāng)，變化范圍非常大。當(dāng)M從從1 1 2 2n-1n-1變化變化時(shí)，時(shí)，f f0 0的變化范圍可以從的變化范圍可以從f fc c/2/2n n f fc c/2/2，M值越大，輸出頻率越高。值越大，輸出頻率越高。 頻率分辨率高頻率分辨率高 式（式（4-2-214-2-21）中）中M M值的取值變化最小為值的取值變化最小為1 1，這意味著其頻率變化的最小值為，這意味著其頻率變化的最小值為f fc c/2/2n n，即：頻，即：頻率分辨率相當(dāng)高。若率分辨率相當(dāng)高。若f

57、 fc c=125=125M；n=32n=32，則，則 f = f = 125125MHz/2/232 32 0.02910Hz 0.02910Hz 相位連續(xù)性相位連續(xù)性 如圖如圖4-2-20所示，所示， 相位寄存器中的相位寄存器中的M值可以以字串行方式或字節(jié)串行方式先送入到一個(gè)值可以以字串行方式或字節(jié)串行方式先送入到一個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器中，然后由輸入數(shù)據(jù)寄存器中，然后由fc同步，并行地一次輸入同步，并行地一次輸入 相位寄存器中。所以說(shuō)當(dāng)改變相位寄存器中。所以說(shuō)當(dāng)改變M值來(lái)改值來(lái)改變輸出頻率時(shí)，輸出信號(hào)的相位是連續(xù)的。變輸出頻率時(shí)，輸出信號(hào)的相位是連續(xù)的。 因此，因此，DDS可以可以輸出頻率分辨

58、率非常小輸出頻率分辨率非常小, ,頻率變化范圍很大的時(shí)鐘信號(hào)頻率變化范圍很大的時(shí)鐘信號(hào)，這正是這正是DDSDDS與其與其它時(shí)鐘技術(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn)。另外，它時(shí)鐘技術(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn)。另外，DDSDDS的控制方式是全數(shù)字化的，使人們可以很容易地利的控制方式是全數(shù)字化的，使人們可以很容易地利用用DDSDDS技術(shù)獲得能夠精細(xì)調(diào)節(jié)，改變非?？欤以陬l率改變時(shí)，相位連續(xù)的輸出時(shí)鐘信號(hào)。技術(shù)獲得能夠精細(xì)調(diào)節(jié)，改變非?？?，且在頻率改變時(shí)，相位連續(xù)的輸出時(shí)鐘信號(hào)。ncofMTf21中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪334-2-4大頻率范圍，精細(xì)可調(diào)的頻率合成器大頻率范圍，精細(xì)可調(diào)的頻率合成器 PLL With DDS Ge

59、nerated Offset 頻率合成器頻率合成器 PLLPLL提供一個(gè)頻率粗調(diào)（提供一個(gè)頻率粗調(diào)（N N f fREFREF）。）。 DDS DDS在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。 總的總的頻率分辨取決于頻率分辨取決于DDS的頻率分辨，通常的頻率分辨，通常1Hz1Hz。為了使輸出調(diào)節(jié)連續(xù)，應(yīng)有為了使輸出調(diào)節(jié)連續(xù)，應(yīng)有DDSDDS的的輸出頻率帶寬輸出頻率帶寬BWDDS f fREFREF。PhaseDetectorLoopFilterVCO NLPFBPF PDDS fREF fOUTOptional中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪34輸出頻率和頻率分辨輸出頻率和頻

60、率分辨電路中的電路中的P分頻器是可選的，因而有兩種情形：分頻器是可選的，因而有兩種情形：P = 1P = 1： P 1P 1：PhaseDetectorLoopFilterVCO NLPFBPF PDDS fREF fOUTDDSREFOUTffNfDDSffDDSREFOUTfPfPNfDDSfPf中國(guó)科大 快電子學(xué) 安琪35DDSDDS- -Driven PLLDriven PLL頻率合成器頻率合成器PhaseDetectorLoopFilterVCO NLPFBPF PDDS fREF fOUT特點(diǎn)：特點(diǎn)： PLLPLL提供一個(gè)頻率粗調(diào)（提供一個(gè)頻率粗調(diào)（N N f fREFREF）。）