測量快速時鐘的低成本方法

　　你可以使用一個并不昂貴的數字測試儀來測量高達數百兆赫茲的頻率。
　　當需要測量一個高速時鐘信號頻率的時候，你也許會尋找一個昂貴的機架固定式盒狀裝置來完成這一任務。但如果不是針對非常高的頻率，你可以嘗試使用廉價的數字測試儀的數字采樣能力，配合上一些DSP函數庫來完成同樣的目標。本文就教你怎樣做到這一點。

　　被曲解的奈奎斯特(Nyquist)理論
　　現有的采樣理論使絕大多數人相信，你的采樣頻率必須至少達到你希望測量的最高頻率的兩倍以上，這意味著如果你想要捕獲一個160MHz的時鐘，你的采樣頻率必須超過320MHz。但是，這并不是Nyquist理論的真實含義。你僅僅在需要避免信號走樣的情況下才需要遵循這個規(guī)則。
　　如果你使用一個33.333MHz的采樣器來采樣一個160MHz的時鐘信號——例如Nextest Maverick公司的數字采樣設備（digital capture instrument，DCI）——這個時鐘信號就會走樣——這意味著這個信號看起來就像另外一個更低頻率的信號。如果你不希望出現走樣，這是一個嚴重的問題；但是反過來，你也可以從走樣中獲得好處。
　　一個走樣的160MHz時鐘會表現得像一個6.666MHz的信號（160MHz比33.333MHz的5倍，即166.666MHz小6.666MHz）。圖1a表示了在采樣頻率f_S為33.3333333MHz的時候，頻域內產生的不同波段。在圖1a的最右邊，是從133MHz（4x33MHz）到166MHz（5x33MHz）的波段。一個DCI設備不允許你實際觀察到這些波段內的信號，但是它們確實存在，證據就是那些跌入Nyquist波段范圍的走樣頻率，這些頻率在圖中使用黃色標記，波段范圍從直流信號到16.666MHz（f_S/2）。

　　因為166MHz僅僅比166.666MHz低6.666MHz，它的走樣頻率也將會跨越不同的波段范圍（這些你也不能直接觀察到），圖中使用虛紅箭頭表示。最后，一個你可以觀察到的走樣頻率——6.666MHz將會出現在Nyquist波段內。這個6.666MHz的走樣頻率來自于波段的上半部分，大約在位于采樣頻率4.5倍的地方，就像被鏡子反射一樣的折回來。這個信號的相位也被反轉了，雖然對于本文的目標來說這并不重要。
　　現在你可以在Nyquist波段內看見6.666MHz的信號了，這意味著你捕獲了160MHz的信號嗎？并不準確。如果你在Nyquist波段內看見了6.666MHz的信號，它可能表示160MHz的信號，也可以表示任何其他在圖1a上列出的頻率（26.6、39.9、60、73.3、93.3、106.6、126.6或139.9 MHz）。要想證明Nyquist波段內6.666MHz的信號是由于采樣166MHz信號產生的，我們必須使用一個不同的采樣頻率再次進行采樣。

　　怎樣區(qū)分走樣頻率？
　　如果你是用不同于一開始的 33.333MHz的采樣頻率再次對160MHz時鐘的信號進行采樣，走樣頻率將會出現在不同的地方。如果你發(fā)現這個新的走樣頻率也表示你可能捕獲了160MHz的信號，你就很有把握推斷說兩次采樣中都是采樣了160MHz的信號，而將其他頻率的可能性排除。新的采樣頻率和原始頻率不要相關，否則他們具有的共模因子會削弱160MHz下的信號意義。例如，如果你使用25MHz（每個周期40ns）的采樣頻率來采樣160MHz的信號，就很難發(fā)現真實的結果（圖1b）。
　　使用25MHz采樣意味著160MHz比150MHz（25MHz的6倍）高出10MHz，所以它的Nyquist波段內走樣頻率應該出現在10MHz。因為33.333MHz（一個周期30ns）和25MHz（一個周期40ns）有一個共模因子1/（10ns），也就是100MHz，他們以產生同樣的走樣頻率告終。