使用低价位仪器测试高速时钟-新品速递

精品文档-下载后可编辑使用低价位仪器测试高速时钟-新品速递当你需要测量高速时钟频率时，可能选择价位昂贵的台面仪器。而实际上，使用低价位数字测试仪器的数字捕获能力，再加上一些DSP软件函数即可测试高速时钟。下文介绍了具体的实现办法。奈奎斯特定律的混叠我们都相信，取样原理称，取样频率必须比被测频率高两倍。例如，当捕获160MHz的时钟，就要用320MHz以上的频率。如果使用33.333MHz取样器捕捉160MHz时钟，例如NextestMarerick公司的数字捕捉仪，则时钟信号必然会出现混叠，或者可能得到另一个较低的频率。一个160MHz时钟会混叠成为6.666MHz，因为160MHz正好比33.333MHz*5=166.666MHz低6.666MHz。用33.3333333MHz的取样率对160MHz取样时，在频域产生的不同频段如图1a所示。图中右边是133MHz频段（4*33MHz）至166MHz频段（5*33MHz）。类似DCI那样的仪器不允许你真正测得该频段的信号，但是这些信号时的确存在的，并且证明这是落入到奈奎斯特频率段的混叠频率。图中黄色表示的是从DC至16.666MHz。

点击看原图图1对160MHz信号取样，a)用33MHz采样率，b)用25MHz产生不定性，c)用正交采样率排除不定性因为160MHz正好落在比166.666MHz低6.666MHz的位置上，它将通过几个频段向后混叠（而你同样不能直接观察到它），由红色箭头表示。实际上你能够看到的6.666MHz混叠会出现在奈奎斯特频段内，混叠出现在DC以上6.666MHz的原因是，它来自约为取样率4.5倍的上半部频段，再折叠回来表现为镜子里的反向图像。相位也会反转，但是对采样目的来说，相位并不重要。现在你能够看到在奈奎斯特频段内的6.666MHz，但这是否表明了你已经捕获到了160MHz呢?并非如此。如果你在奈奎斯特频段真正看到6.666MHz，则它可能是160MHz，也可能是其他在图1a上不列出的频率之一（26.6、39.9、60、73.3等等）。一旦确实证明是在奈奎斯特频段内的6.666MHz，则这就是捕捉到的160MHz，而且还需要使用不同的取样率进行再抽样。如果使用另一个与原来33.333MHz不同的取样率对160MHz时钟取样时，混叠频率降落在不同的位置。如果你见到混叠频率再次落在160MHz，则似乎两次取样都可以补到160MHz了，可以排除其他频率的可能性。因此，新取样率不能太靠近原来的取样率，不然它们就会因为拥有公共因子而被删除，并且落到比160MHz较低的频率上。录入，你再用25MHz取样频率对160MHz取样时，真正的结果并不很明显（图1b）。用25MHz取样表明，160MHz比150MHz（5*25）高10MHz。故混叠频率会回到奈奎斯特频段内比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，所以它们将产生共同的混叠频率。使用正交取样频率因为第二个取样频率将确认真正捕捉的信号，因此需要一个完全与原来取样频率无关的频率（没有公共因子）来进行取样。一种方法是采用锁相环使系统时钟偏移，但这样会导致标准系统时钟周期分辨率的变化。对于NextestMaverick的仪器，可以使用APG的锁相环来选择频率。所以你必须挑选少数几个与33.333MHz取样频率没有公共因子的频率，例如77MHz（12.987013ns），周期采用38.961039ns（3*系统时钟周期），相应取样频率是25.666666MHz。可是，不能在运行中切换锁相环，因此必须做捕捉时全部时间复位，然后再做第二次捕捉。因为捕捉时间极快，对测试时间影响不大。采用这个取样率获得的混叠频率如图1c所示。图中160MHz准确地落在比154MHz（6*25.66MHz）高6MHz的地方，是混叠频率出现在奈奎斯特频段内。注意25.66MHz取样的全列混叠频率与33.333MHz取样的全列混叠频率完全不相同。这正是本文所介绍的技术工作的重点。可再次通过图1a来证实这一要点。图中出正确结果160MHz以外，在两列混叠中没有出现相同的频率。需要记住的是，要设置两次不同的时间、两个不同的数组和两种不同功能的脉冲组合。不要试图在运行中切换定时设置，因为大部分测试仪器不支持在运行期间切换时间。还需要设定捕捉一起去捕捉时钟引脚，以期收集到表示时钟引脚瞬变的数码1和0序列。显然，比较器电压要设定在时钟50%的点上，如果引脚需要端接，则还需要接入有源负载。

一旦功能测试过程完成捕捉运作，则立即将截取的数据转换为波形。此外，从波形减去0.5，使得捕捉的1表示为电压0.5，而捕捉的0表示电压-0.5。确认波形的X标度要设定为实际捕捉的取样率，否则就不能获得正确的结果。有些测试仪器可以自动做到这些，有些则不能，因为它们并非设计用于时间波形的捕捉。确定时钟频率现在对两个在不同取样率下捕捉到的波形计算波形的瞬变数，然后出去UTP(单位测试周期)，这个方法还未曾被运用。波形可能会有少量“低矮瞬变”，即由噪声产生的接近比较器阀值的特殊边沿，这种特殊瞬变可导致测试错误地估计时钟频率，引起读数错误。一种将时域数据转换成频率数据的方法是FFT。FFT把低矮瞬变作为噪声处理，而不影响时钟测量。FFT运算将数据便换成幅值，注意幅值的信号。因为波形的数据是方波和含有其他分量（大部分是奇次谐波），只要注意幅值频谱的值就能够找到幅值信号的位置，它就是捕捉到的时钟基波。

图2Nextest公司混合信号波形工具显示160MHz时钟的频域表示方式a)用33.333MHz捕捉；b)用25.666MHz捕捉160MHz时钟由33.333MHz和25.666MHz采样率捕捉的频域谱图如图2所示。FFT频率数据分辨率与两个因素有关，即采样率和样本数。傅立叶频率表达方式是fF=fs/N,图2实例有两个取样率，故有两种分辨率：33.333MHz/32768=1017。25Hz25.666MHz/32768=783.28Hz样本数应在测试时间和分辨率之间做出权衡。用来测量160MHz时钟是，拥有比1KHz更好的分辨率就相当不错了，特别是可在33MHz基本速率的测试器上进行测量。如果需要更好的分辨率，则可能需要付出代价，因为由此开始FFT运算时间加大幅增加。你也可以用24.5Hz分辨率去捕捉一百万个样本，但是，一百万个样本的FFT即使由双Xeon核电脑做运算也不得不用几秒钟时间。而且，在这方面较慢速度的测试仪器更具优势，因为取样较慢时分辨率会更高。注意频率相交点当你测量得到两个混叠频率时，就要搜索信号的频率列表和找出频率相交点。对被检查的混叠频率写下代码并推断它们的相交点。的办法是相对每种取样率写出两列包括全部候选频率的列表。寻找两列的相交点或匹配点（表1）。表1候选频率列表33MHz6.6626.639.96073.393.3106.6126.6139.916025.66MHz619.631.645.357.370.98396.6108.6122.3134.3147.9160由于所用实例采用两个正交的取样频率，他们之间没有公共因子，在测试频率范围进入GHz以前它们都不会产生交叠。这不会产生太大的问题，因为多数低价位测试仪器的引脚比较器带宽正好没有进入GHz范围。当找到匹配电视，能够推断6.666MHz是由33.333MHz捕捉到的，6.0MHz是由25.666MHz捕捉到的，他们是真160MHz时钟的混叠频率。假若它不是准确的160MHz，这种情况仍然一样，因为相对于取样频率，混叠频率将产生同样数量的飘移，出现159.5MHz或160.2MHz等频率。换句话说，这不但是160MHz时钟的解决方案，而是你能够用任何一台数字引脚比较器捕捉到任何频率的解决方案。分辨率和奈奎斯特问题当你对比表1内两列候选频率的数据匹配情况时，通常允许有小量偏差。这是考虑到两次捕捉之间频率出现飘移和允许捕捉的非相干性质。然而，由于在奈奎斯特和DC频率附近出现的潜在问题，需要避免使用太大的溢出值。

如果测量的时钟非常接近边界，则要想说明混叠真正属于边界的哪一侧就非常困难了。例如，用33.333MHz取样频率捕捉133.0MHz时钟，会看到在奈奎斯特频段内出现333.333KHz的混叠。但是，该混叠也意味着你真正得到133.666MHz的时钟。而假如你允许太大的溢出，则会拾取到错误的数值。这里还有比其他频率更难测量的频率，特别是K(整数)倍取样率。如果测量的频率与取样频率完全相同，那么大部分样本会落在全高或全低的一侧。FFT将反映出的高值放在DC收集箱内，而软件可以找出DC