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當你需要測量高速時(shí)鐘頻率時(shí)，可能選擇價(jià)位昂貴的臺面儀器。而實(shí)際上，使用低價(jià)位數字測試儀器的數字捕獲能力，再加上一些DSP軟件函數即可測試高速時(shí)鐘。下文介紹了具體的實(shí)現辦法。 奈奎斯特定律的混疊 我們都相信，取樣原理稱(chēng)，取樣頻率必須比被測最高頻率高兩倍。例如，當捕獲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NextestMarerick公司的數字捕捉儀，則時(shí)鐘信號必然會(huì )出現混疊，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，因為160MHz正好比33.333MHz*5=166.666MHz低6.666MHz。用33.3333333MHz的取樣率對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(lèi)似DCI那樣的儀器不允許你真正測得該頻段的信號，但是這些信號時(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160MHz信號取樣，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 因為160MHz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(guān)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 )出現在奈奎斯特頻段內，混疊出現在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)表現為鏡子里的反向圖像。相位也會(huì )反轉，但是對采樣目的來(lái)說(shuō)，相位并不重要。 現在你能夠看到在奈奎斯特頻段內的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 )因為擁有公共因子而被刪除，并且落到比160MHz較低的頻率上。錄入，你再用25MHz取樣頻率對160MHz取樣時(shí)，真正的結果并不很明顯（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 因為第二個(gè)取樣頻率將確認真正捕捉的信號，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)使系統時(shí)鐘偏移，但這樣會(huì )導致標準系統時(shí)鐘周期分辨率的變化。 對于NextestMaverick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*系統時(shí)鐘周期），相應取樣頻率是25.666666MHz�？墒�，不能在運行中切換鎖相環(huán)，因此必須做一次捕捉時(shí)全部時(shí)間復位，然后再做第二次捕捉。因為捕捉時(shí)間極快，對測試時(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準確地落在比154MHz（6*25.66MHz）高6MHz的地方，是混疊頻率出現在奈奎斯特頻段內。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)。圖中出正確結果160MHz以外，在兩列混疊中沒(méi)有出現相同的頻率。 需要記住的是，要設置兩次不同的時(shí)間、兩個(gè)不同的數組和兩種不同功能的脈沖組合。不要試圖在運行中切換定時(shí)設置，因為大部分測試儀器不支持在運行期間切換時(shí)間。 還需要設定捕捉一起去捕捉時(shí)鐘引腳，以期收集到表示時(shí)鐘引腳瞬變的數碼1和0序列。顯然，比較器電壓要設定在時(shí)鐘50%的點(diǎn)上，如果引腳需要端接，則還需要接入有源負載。 一旦功能測試過(guò)程完成捕捉運作，則立即將截取的數據轉換為波形。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。 確認波形的X標度要設定為實(shí)際捕捉的取樣率，否則就不能獲得正確的結果。有些測試儀器可以自動(dòng)做到這些，有些則不能，因為它們并非設計用于時(shí)間波形的捕捉。 確定時(shí)鐘頻率 現在對兩個(gè)在不同取樣率下捕捉到的波形計算波形的瞬變數，然后出去UTP(單位測試周期)，這個(gè)方法還未曾被運用。 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，這種特殊瞬變可導致測試錯誤地估計時(shí)鐘頻率，引起讀數錯誤。一種將時(shí)域數據轉換成頻率數據的方法是FFT。FFT把低矮瞬變作為噪聲處理，而不影響時(shí)鐘測量。 FFT運算將數據便換成幅值，注意最高幅值的信號。因為波形的數據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的位置，它就是捕捉到的時(shí)鐘基波。 圖2Nextest公司混合信號波形工具顯示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頻率數據分辨率與兩個(gè)因素有關(guān)，即采樣率和樣本數。傅立葉頻率表達方式是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 樣本數應在測試時(shí)間和分辨率之間做出權衡。用來(lái)測量160MHz時(shí)鐘是，擁有比1KHz更好的分辨率就相當不錯了，特別是可在33MHz基本速率的測試器上進(jìn)行測量。如果需要更好的分辨率，則可能需要付出代價(jià)，因為由此開(kāi)始FFT運算時(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核電腦做運算也不得不用幾秒鐘時(shí)間。而且，在這方面較慢速度的測試儀器更具優(yōu)勢，因為取樣較慢時(shí)分辨率會(huì )更高。 注意頻率相交點(diǎn) 當你測量得到兩個(gè)混疊頻率時(shí)，就要搜索信號的頻率列表和找出頻率相交點(diǎn)。對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 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，因為多數低價(jià)位測試儀器的引腳比較器帶寬正好沒(méi)有進(jìn)入GHz范圍。 當找到匹配電視，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。假若它不是準確的160MHz，這種情況仍然一樣，因為相對于取樣頻率，混疊頻率將產(chǎn)生同樣數量的飄移，出現159.5MHz或160.2MHz等頻率。換句話(huà)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數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 當你對比表1內兩列候選頻率的數據匹配情況時(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頻率附近出現的潛在問(wèn)題，需要避免使用太大的溢出值。 如果測量的時(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出現333.333KHz的混疊。但是，該混疊也意味著(zhù)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 )拾取到錯誤的數值。 這里還有比其他頻率更難測量的頻率，特別是K(整數)倍取樣率。如果測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。FFT將反映出的高值放在DC收集箱內，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收集箱內檢測不到幅值。從捕捉的波形減去0.5后，對實(shí)高值附加0.5，對實(shí)低值減去0.5，情況與由混疊是北側頻率落入DC收集器相同。電壓極性對FFT并不重要。 因此，無(wú)需使用昂貴的儀器代替現有廉價(jià)的數字測試儀器來(lái)測量高頻，盡管它的速度比小型數字測試儀器快得多。 |
