使用低价位仪器测试高速时钟

2014-09-23 09:58:09来源: ednchina

       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最高频率高两倍。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Nextest MarerICk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。图中最右边是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。

对160MHz信号取样

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,所以它们最后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Nextest Maverick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,因此必须做一次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。

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关键字:低价位仪器  高速时钟  FFT运算

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0923/article_9580.html
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