一個25MHZ時鐘信號的單調(diào)性問題測試分析

圖5 一個隨機(jī)數(shù)字波形及其功率譜
上圖5中信號的上升時間Tr為時鐘周期的1/100。從功率譜圖中我們看到，當(dāng)頻率高于轉(zhuǎn)折頻率（Fknee）后，信號能量以遠(yuǎn)高于20dB/decade的速度下降，該頻點后的能量在信號總能量中占有比例很小。
Howard給出了這個轉(zhuǎn)折頻率與信號上升時間的關(guān)系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文獻(xiàn)中也會按照0.35/Tr或者0.4/Tr來計算），從該式中我們可以看出該轉(zhuǎn)折頻率只與信號的上升時間有關(guān)。因此說，信號的上升時間對信號的能量分布范圍起到很關(guān)鍵的作用，上升時間越?。ㄐ盘栄卦蕉福盘栔饕芰考械姆秶綄?，如果要更加準(zhǔn)確的測量信號，則需要示波器的帶寬也越寬；反之，上升時間越大（信號沿越緩），信號主要能量集中的范圍越窄，帶寬較窄的示波器也能比較準(zhǔn)確的測量信號。
四、上述25MHZ時鐘測試問題的解釋從上面的測試結(jié)果截圖中我們可以看到，測量得到的時鐘信號的上升時間約為600ps左右，除去示波器和探頭的影響，信號本身的實際上升時間大約為500ps左右。那么代入公式Fknee=0.5/Tr可以得到該信號的功率譜的轉(zhuǎn)折頻率約為1GHZ；也就是說，用1GHZ帶寬的示波器去測試該信號應(yīng)該可以得到很好的精度，然而實際情況是用1GHZ的示波器測試該時鐘信號時上升沿處的回溝并沒有完全被體現(xiàn)出來；因此根據(jù)上述分析可以初步認(rèn)為示波器帶寬對該回溝的影響不應(yīng)該是主要因素。采樣率過低也可能導(dǎo)致回溝問題的一個主要原因。
我們仔細(xì)分析在20Gs/s采樣率下測得的信號，發(fā)現(xiàn)回溝時間恰好為100ps左右；而當(dāng)采樣率為10Gs/s時，兩個采樣點之間的時間間隔也正好為100ps左右，因此示波器在采樣時很有可能不能正確地采集到回溝處的點，從而使得信號沿的回溝不能正確的得到顯示。為了很準(zhǔn)確的測量信號的沿，需要有相對應(yīng)的采樣率，下圖描述了信號上升沿與采樣點間隔的關(guān)系，當(dāng)采樣率固定的情況下，信號上升沿越陡，兩個采樣點之間的盲區(qū)就越大，該盲區(qū)的細(xì)節(jié)就會得不到正確的顯示。

圖6 信號上升沿與示波器采樣點間隔的關(guān)系
五、合理選擇測量示波器的建議 1、首先，需要仔細(xì)分析需要測量的信號，不僅僅是頻率，還應(yīng)該關(guān)注信號的上升時間；因為一個基本的信號是由數(shù)個頻率不同的正弦信號構(gòu)成，信號沿越陡，信號中包含的高頻正弦信號分離就越多，如果我們需要準(zhǔn)確的測量信號則首先必須準(zhǔn)確的測量這些高頻正弦分量，這些正弦高頻分量通常比信號本身的頻率要高，具體有多高，則可以根據(jù)上升時間去估測。
2、要明確需要關(guān)注的信號的細(xì)節(jié)的程度，即信號在多大的時間間隔內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定因素如單調(diào)性、過沖等可能會給系統(tǒng)帶來問題，然后再結(jié)合信號的上升時間來選取測試示波器的采樣率。
參考資料【1】《High-Speed Digital Design》,Howard Johnson