高速隨機(jī)數(shù)發(fā)生器簡(jiǎn)化眼圖測(cè)試

評(píng)估數(shù)字通信鏈路質(zhì)量的有效方法之一是眼圖，眼圖給出了每一位（第N位，介于N-1位隨機(jī)數(shù)和N+1位隨機(jī)數(shù)之間）的窗口。通信系統(tǒng)工程師一般采用傳統(tǒng)的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量和分析信道的誤碼率。但大部分專(zhuān)業(yè)工程師并不這樣做。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，圖1電路提供了一個(gè)替代方法——激勵(lì)來(lái)自一個(gè)數(shù)字信號(hào)源。

圖1  用于眼圖測(cè)試的高質(zhì)量隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 
 
電阻R1和R2構(gòu)成了VCC/2偏置，并由C1旁路到地。一個(gè)1MW電阻(R3)被用作寬帶、小信號(hào)噪聲源。運(yùn)放U1A 和 U1B提供5倍的交流電壓增益，但在低頻時(shí)，由于C2和C4的作用，增益降為1。U1B輸出經(jīng)過(guò)放大的噪聲進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)比較器U2，U2輸出的數(shù)字信號(hào)適合作為U3A和U3BD類(lèi)觸發(fā)器的輸入。

比較器輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器反饋到它的反相輸入端，形成一個(gè)占空比接近50％的輸出信號(hào)。這樣，在U3A的輸出端可以得到與電路輸入時(shí)鐘同步的隨機(jī)數(shù)據(jù)流。遺憾的是，比較器的輸出信號(hào)常常會(huì)影響U3A的建立和保持時(shí)間，引起較大抖動(dòng)。將數(shù)據(jù)流信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)與時(shí)鐘同步的D觸發(fā)器（U3B）即可解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)電路的工作速率可達(dá)62.5Mbps的（見(jiàn)圖2所示眼圖）。當(dāng)工作于20Mbps時(shí)，抖動(dòng)小于200PS（峰-峰值），適用于RS-422、RS-484、CAN、USB、RS-232、PROFIBUS等通信協(xié)議。

圖2  圖1輸出的20Mbps眼圖，最高可達(dá)62.5Mbps 
 
需根據(jù)具體應(yīng)用選擇運(yùn)算放大器、比較器和D觸發(fā)器，運(yùn)算放大器U1A、U1B的帶寬應(yīng)達(dá)到用戶(hù)期望的最高輸出信號(hào)頻率（在本例中，MAX1428增益帶寬積達(dá)到25MHz）。該運(yùn)放的穩(wěn)定增益大于或等于10倍，但對(duì)現(xiàn)在的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性已不是主要關(guān)注的問(wèn)題。為得到合理量級(jí)的隨機(jī)數(shù)，比較器的傳輸延時(shí)應(yīng)能達(dá)到所期望的最小比特率周期的水平（太大的傳輸時(shí)延可能會(huì)造成N-1、N、N+1之間的某一位丟失）。MAX961是一個(gè)好的選擇，其傳輸時(shí)延只有4.5ns。觸發(fā)器需提供快速的上升時(shí)間和干凈的邊沿，以及盡量小或沒(méi)有過(guò)沖。可選擇74HVC74，以保持與運(yùn)放和比較器相同的工作電壓范圍：2.7V－5.5V。74HVC74的工作電壓范圍可達(dá)2V-5.5V，最小開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)80MHz（3V供電）。

該電路可采用2.7V-5.5V電源供電，為了得到最佳效果，時(shí)鐘擺幅最好能夠達(dá)到電源至地的滿(mǎn)擺幅范圍，且用50W負(fù)載進(jìn)行終端匹配。將輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)流用一截短電纜連接到被測(cè)設(shè)備（DUT），不要端接數(shù)據(jù)流信號(hào)，因?yàn)橛|發(fā)器無(wú)法驅(qū)動(dòng)50W負(fù)載。由于觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行2倍分頻，因此須采用所期望的輸出比特率作為時(shí)鐘頻率（例如，為得到10Mbps的速率，時(shí)鐘頻率應(yīng)設(shè)置為10MHz）。將被測(cè)設(shè)備的輸出連接到示波器，示波器帶寬應(yīng)足以滿(mǎn)足測(cè)試要求，余輝應(yīng)設(shè)為無(wú)限大，并利用時(shí)鐘源同步。