使用低價(jià)位儀器測(cè)試高速時(shí)鐘

當(dāng)你需要測(cè)量高速時(shí)鐘頻率時(shí)，可能選擇價(jià)位昂貴的臺(tái)面儀器。而實(shí)際上，使用低價(jià)位數(shù)字測(cè)試儀器的數(shù)字捕獲能力，再加上一些DSP軟件函數(shù)即可測(cè)試高速時(shí)鐘。下文介紹了具體的實(shí)現(xiàn)辦法。

奈奎斯特定律的混疊
我們都相信，取樣原理稱，取樣頻率必須比被測(cè)最高頻率高兩倍。例如，當(dāng)捕獲160MHz的時(shí)鐘，就要用320MHz以上的頻率。如果使用33.333MHz取樣器捕捉160MHz時(shí)鐘，例如Nextest Marerick公司的數(shù)字捕捉儀，則時(shí)鐘信號(hào)必然會(huì)出現(xiàn)混疊，或者可能得到另一個(gè)較低的頻率。
一個(gè)160MHz時(shí)鐘會(huì)混疊成為6.666MHz，因?yàn)?60MHz正好比33.333MHz*5=166.666MHz低6.666MHz。用33.3333333MHz的取樣率對(duì)160MHz取樣時(shí)，在頻域產(chǎn)生的不同頻段如圖1a所示。圖中最右邊是133MHz頻段（4*33MHz）至166MHz頻段（5*33MHz）。類似DCI那樣的儀器不允許你真正測(cè)得該頻段的信號(hào)，但是這些信號(hào)時(shí)的確存在的，并且證明這是落入到奈奎斯特頻率段的混疊頻率。圖中黃色表示的是從DC至16.666MHz。
圖1對(duì)160MHz信號(hào)取樣，a)用33MHz采樣率，b)用25MHz產(chǎn)生不定性， c)用正交采樣率排除不定性
因?yàn)?60MHz正好落在比166.666MHz低6.666MHz的位置上，它將通過(guò)幾個(gè)頻段向后混疊（而你同樣不能直接觀察到它），由紅色箭頭表示。實(shí)際上你能夠看到的6.666MHz 混疊會(huì)出現(xiàn)在奈奎斯特頻段內(nèi)，混疊出現(xiàn)在DC以上6.666MHz的原因是，它來(lái)自約為取樣率4.5倍的上半部頻段，再折疊回來(lái)表現(xiàn)為鏡子里的反向圖像。相位也會(huì)反轉(zhuǎn)，但是對(duì)采樣目的來(lái)說(shuō)，相位并不重要。
現(xiàn)在你能夠看到在奈奎斯特頻段內(nèi)的6.666MHz，但這是否表明了你已經(jīng)捕獲到了160MHz呢? 并非如此。如果你在奈奎斯特頻段真正看到6.666MHz，則它可能是160MHz，也可能是其他在圖1a上不列出的頻率之一（26.6、39.9、60、73.3等等）。一旦確實(shí)證明是在奈奎斯特頻段內(nèi)的6.666MHz，則這就是捕捉到的160MHz，而且還需要使用不同的取樣率進(jìn)行再抽樣。
如果使用另一個(gè)與原來(lái)33.333MHz不同的取樣率對(duì)160MHz時(shí)鐘取樣時(shí)，混疊頻率降落在不同的位置。如果你見(jiàn)到混疊頻率再次落在160MHz， 則似乎兩次取樣都可以補(bǔ)到160MHz了，可以排除其他頻率的可能性。因此，新取樣率不能太靠近原來(lái)的取樣率，不然它們就會(huì)因?yàn)閾碛泄惨蜃佣粍h除，并且落到比160MHz較低的頻率上。錄入，你再用25MHz取樣頻率對(duì)160MHz取樣時(shí)，真正的結(jié)果并不很明顯（圖1b） 。
用25MHz取樣表明，160MHz比150MHz（5*25）高10MHz。故混疊頻率會(huì)回到奈奎斯特頻段內(nèi)比DC高10MHz的地方。不幸的是，由于33.333MHz（30ns）和25MHz（40ns）具有公共因子1/10ns，或者100MHz，所以它們最后將產(chǎn)生共同的混疊頻率。

使用正交取樣頻率
因?yàn)榈诙€(gè)取樣頻率將確認(rèn)真正捕捉的信號(hào)，因此需要一個(gè)完全與原來(lái)取樣頻率無(wú)關(guān)的頻率（沒(méi)有公共因子）來(lái)進(jìn)行取樣。一種方法是采用鎖相環(huán)使系統(tǒng)時(shí)鐘偏移，但這樣會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘周期分辨率的變化。
對(duì)于Nextest Maverick的儀器，可以使用APG的鎖相環(huán)來(lái)選擇頻率。所以你必須挑選少數(shù)幾個(gè)與33.333MHz取樣頻率沒(méi)有公共因子的頻率，例如77MHz（12.987013ns），周期采用38.961039ns（3*系統(tǒng)時(shí)鐘周期），相應(yīng)取樣頻率是25.666666MHz?？墒?，不能在運(yùn)行中切換鎖相環(huán)，因此必須做一次捕捉時(shí)全部時(shí)間復(fù)位，然后再做第二次捕捉。因?yàn)椴蹲綍r(shí)間極快，對(duì)測(cè)試時(shí)間影響不大。
采用這個(gè)取樣率獲得的混疊頻率如圖1c所示。圖中160MHz準(zhǔn)確地落在比154MHz（6*25.66MHz）高6MHz的地方，是混疊頻率出現(xiàn)在奈奎斯特頻段內(nèi)。注意25.66MHz取樣的全列混疊頻率與33.333MHz取樣的全列混疊頻率完全不相同。這正是本文所介紹的技術(shù)工作的重點(diǎn)?？稍俅瓮ㄟ^(guò)圖1a來(lái)證實(shí)這一要點(diǎn)。圖中出正確結(jié)果160MHz以外，在兩列混疊中沒(méi)有出現(xiàn)相同的頻率。
需要記住的是，要設(shè)置兩次不同的時(shí)間、兩個(gè)不同的數(shù)組和兩種不同功能的脈沖組合。不要試圖在運(yùn)行中切換定時(shí)設(shè)置，因?yàn)榇蟛糠譁y(cè)試儀器不支持在運(yùn)行期間切換時(shí)間。
還需要設(shè)定捕捉一起去捕捉時(shí)鐘引腳，以期收集到表示時(shí)鐘引腳瞬變的數(shù)碼1和0序列。顯然，比較器電壓要設(shè)定在時(shí)鐘50%的點(diǎn)上，如果引腳需要端接，則還需要接入有源負(fù)載。
一旦功能測(cè)試過(guò)程完成捕捉運(yùn)作，則立即將截取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形。此外，從波形減去0.5，使得捕捉的1表示為電壓0.5，而捕捉的0表示電壓-0.5。
確認(rèn)波形的X標(biāo)度要設(shè)定為實(shí)際捕捉的取樣率，否則就不能獲得正確的結(jié)果。有些測(cè)試儀器可以自動(dòng)做到這些，有些則不能，因?yàn)樗鼈儾⒎窃O(shè)計(jì)用于時(shí)間波形的捕捉。

確定時(shí)鐘頻率
現(xiàn)在對(duì)兩個(gè)在不同取樣率下捕捉到的波形計(jì)算波形的瞬變數(shù)，然后出去UTP(單位測(cè)試周期)，這個(gè)方法還未曾被運(yùn)用。
波形可能會(huì)有少量“低矮瞬變”，即由噪聲產(chǎn)生的接近比較器閥值的特殊邊沿，這種特殊瞬變可導(dǎo)致測(cè)試錯(cuò)誤地估計(jì)時(shí)鐘頻率，引起讀數(shù)錯(cuò)誤。一種將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)據(jù)的方法是FFT。FFT把低矮瞬變作為噪聲處理，而不影響時(shí)鐘測(cè)量。
FFT運(yùn)算將數(shù)據(jù)便換成幅值，注意最高幅值的信號(hào)。因?yàn)椴ㄐ蔚臄?shù)據(jù)是方波和含有其他分量（大部分是奇次諧波），只要注意幅值頻譜的最大值就能夠找到最高幅值信號(hào)的位置，它就是捕捉到的時(shí)鐘基波。

圖2 Nextest公司混合信號(hào)波形工具顯示160MHz時(shí)鐘的頻域表示方式 a) 用33.333MHz捕捉；b) 用25.666MHz捕捉
160MHz時(shí)鐘由33.333MHz和25.666MHz采樣率捕捉的頻域譜圖如圖2所示。FFT頻率數(shù)據(jù)分辨率與兩個(gè)因素有關(guān)，即采樣率和樣本數(shù)。傅立葉頻率表達(dá)方式是fF=fs/N, 圖2實(shí)例有兩個(gè)取樣率，故有兩種分辨率：
33.333MHz/32768=1017。25Hz
25.666MHz/32768=783.28Hz
樣本數(shù)應(yīng)在測(cè)試時(shí)間和分辨率之間做出權(quán)衡。用來(lái)測(cè)量160MHz時(shí)鐘是，擁有比1KHz更好的分辨率就相當(dāng)不錯(cuò)了，特別是可在33MHz基本速率的測(cè)試器上進(jìn)行測(cè)量。如果需要更好的分辨率，則可能需要付出代價(jià)，因?yàn)橛纱碎_(kāi)始FFT運(yùn)算時(shí)間加大幅增加。
你也可以用24.5Hz分辨率去捕捉一百萬(wàn)個(gè)樣本，但是，一百萬(wàn)個(gè)樣本的FFT即使由雙Xeon核電腦做運(yùn)算也不得不用幾秒鐘時(shí)間。而且，在這方面較慢速度的測(cè)試儀器更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿虞^慢時(shí)分辨率會(huì)更高。
注意頻率相交點(diǎn)
當(dāng)你測(cè)量得到兩個(gè)混疊頻率時(shí)，就要搜索信號(hào)的頻率列表和找出頻率相交點(diǎn)。對(duì)被檢查的混疊頻率寫(xiě)下代碼并推斷它們的相交點(diǎn)。
最好的辦法是相對(duì)每種取樣率寫(xiě)出兩列包括全部候選頻率的列表。尋找兩列的相交點(diǎn)或匹配點(diǎn)（表1）。
表1候選頻率列表
33MHz    6.66    26.6    39.9    60    73.3    93.3    106.6    126.6    139.9    160            
25.66MHz    6    19.6    31.6    45.3    57.3    70.9    83    96.6    108.6    122.3    134.3    147.9    160
由于所用實(shí)例采用兩個(gè)正交的取樣頻率，他們之間沒(méi)有公共因子，在測(cè)試頻率范圍進(jìn)入GHz以前它們都不會(huì)產(chǎn)生交疊。這不會(huì)產(chǎn)生太大的問(wèn)題，因?yàn)槎鄶?shù)低價(jià)位測(cè)試儀器的引腳比較器帶寬正好沒(méi)有進(jìn)入GHz范圍。
當(dāng)找到匹配電視，能夠推斷6.666MHz是由33.333MHz捕捉到的，6.0MHz是由25.666MHz捕捉到的，他們是真160MHz時(shí)鐘的混疊頻率。假若它不是準(zhǔn)確的160MHz，這種情況仍然一樣，因?yàn)橄鄬?duì)于取樣頻率，混疊頻率將產(chǎn)生同樣數(shù)量的飄移，出現(xiàn)159.5MHz或160.2MHz等頻率。換句話說(shuō)，這不但是160MHz時(shí)鐘的解決方案，而是你能夠用任何一臺(tái)數(shù)字引腳比較器捕捉到任何頻率的解決方案。

分辨率和奈奎斯特問(wèn)題
當(dāng)你對(duì)比表1內(nèi)兩列候選頻率的數(shù)據(jù)匹配情況時(shí)，通常允許有小量偏差。這是考慮到兩次捕捉之間頻率出現(xiàn)飄移和允許捕捉的非相干性質(zhì)。然而，由于在奈奎斯特和DC頻率附近出現(xiàn)的潛在問(wèn)題，需要避免使用太大的溢出值。
如果測(cè)量的時(shí)鐘非常接近邊界，則要想說(shuō)明混疊真正屬于邊界的哪一側(cè)就非常困難了。例如，用33.333MHz取樣頻率捕捉133.0MHz時(shí)鐘，會(huì)看到在奈奎斯特頻段內(nèi)出現(xiàn)333.333KHz的混疊。但是，該混疊也意味著你真正得到133.666MHz的時(shí)鐘。而假如你允許太大的溢出，則會(huì)拾取到錯(cuò)誤的數(shù)值。
這里還有比其他頻率更難測(cè)量的頻率，特別是K(整數(shù))倍取樣率。如果測(cè)量的頻率與取樣頻率完全相同，那么大部分樣本會(huì)落在全高或全低的一側(cè)。FFT將反映出的高值放在DC收集箱內(nèi)，而軟件可以找出DC與一個(gè)由另外取樣率取樣的混疊頻率的相交點(diǎn)。
如上文所述，如果不能從捕捉的波形減去0.5，而且捕捉的頻率全部為低，那么將在DC收集箱內(nèi)檢測(cè)不到幅值。從捕捉的波形減去0.5后，對(duì)實(shí)高值附加0.5 ，對(duì)實(shí)低值減去0.5，情況與由混疊是北側(cè)頻率落入DC收集器相同。電壓極性對(duì)FFT并不重要。
因此，無(wú)需使用昂貴的儀器代替現(xiàn)有廉價(jià)的數(shù)字測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量高頻，盡管它的速度比小型數(shù)字測(cè)試儀器快得多。