如何使用低价位仪器测试高速时钟？

　　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。
　　
　　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。
　　FFT运算将数据便换成幅值，注意最高幅值的信号。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最大值就能够找到最高幅值信号的位置，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。25Hz
　　25.666MHz/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。
　　最好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
　　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
　　57.3 70.9 83 96.6 108.6 122.3 134.3 147.9 160
　　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与一个由另外取样率取样的混叠频率的相交点。
　　如上文所述，如果不能从捕捉的波形减去0.5，而且捕捉的频率全部为低，那么将在DC收集箱内检测不到幅值。从捕捉的波形减去0.5后，对实高值附加0.5，对实低值减去0.5，情况与由混叠是北侧频率落入DC收集器相同。电压极性对FFT并不重要。
　　因此，无需使用昂贵的仪器代替现有廉价的数字测试仪器来测量高频，尽管它的速度比小型数字测试仪器快得多。