測(cè)量快速時(shí)鐘的低成本方法

　　你可以使用一個(gè)并不昂貴的數(shù)字測(cè)試儀來(lái)測(cè)量高達(dá)數(shù)百兆赫茲的頻率。
　　當(dāng)需要測(cè)量一個(gè)高速時(shí)鐘信號(hào)頻率的時(shí)候，你也許會(huì)尋找一個(gè)昂貴的機(jī)架固定式盒狀裝置來(lái)完成這一任務(wù)。但如果不是針對(duì)非常高的頻率，你可以嘗試使用廉價(jià)的數(shù)字測(cè)試儀的數(shù)字采樣能力，配合上一些DSP函數(shù)庫(kù)來(lái)完成同樣的目標(biāo)。本文就教你怎樣做到這一點(diǎn)。

　　被曲解的奈奎斯特(Nyquist)理論
　　現(xiàn)有的采樣理論使絕大多數(shù)人相信，你的采樣頻率必須至少達(dá)到你希望測(cè)量的最高頻率的兩倍以上，這意味著如果你想要捕獲一個(gè)160MHz的時(shí)鐘，你的采樣頻率必須超過(guò)320MHz。但是，這并不是Nyquist理論的真實(shí)含義。你僅僅在需要避免信號(hào)走樣的情況下才需要遵循這個(gè)規(guī)則。
　　如果你使用一個(gè)33.333MHz的采樣器來(lái)采樣一個(gè)160MHz的時(shí)鐘信號(hào)——例如Nextest Maverick公司的數(shù)字采樣設(shè)備（digital capture instrument，DCI）——這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)走樣——這意味著這個(gè)信號(hào)看起來(lái)就像另外一個(gè)更低頻率的信號(hào)。如果你不希望出現(xiàn)走樣，這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題；但是反過(guò)來(lái)，你也可以從走樣中獲得好處。
　　一個(gè)走樣的160MHz時(shí)鐘會(huì)表現(xiàn)得像一個(gè)6.666MHz的信號(hào)（160MHz比33.333MHz的5倍，即166.666MHz小6.666MHz）。圖1a表示了在采樣頻率f_S為33.3333333MHz的時(shí)候，頻域內(nèi)產(chǎn)生的不同波段。在圖1a的最右邊，是從133MHz（4x33MHz）到166MHz（5x33MHz）的波段。一個(gè)DCI設(shè)備不允許你實(shí)際觀察到這些波段內(nèi)的信號(hào)，但是它們確實(shí)存在，證據(jù)就是那些跌入Nyquist波段范圍的走樣頻率，這些頻率在圖中使用黃色標(biāo)記，波段范圍從直流信號(hào)到16.666MHz（f_S/2）。

　　因?yàn)?66MHz僅僅比166.666MHz低6.666MHz，它的走樣頻率也將會(huì)跨越不同的波段范圍（這些你也不能直接觀察到），圖中使用虛紅箭頭表示。最后，一個(gè)你可以觀察到的走樣頻率——6.666MHz將會(huì)出現(xiàn)在Nyquist波段內(nèi)。這個(gè)6.666MHz的走樣頻率來(lái)自于波段的上半部分，大約在位于采樣頻率4.5倍的地方，就像被鏡子反射一樣的折回來(lái)。這個(gè)信號(hào)的相位也被反轉(zhuǎn)了，雖然對(duì)于本文的目標(biāo)來(lái)說(shuō)這并不重要。
　　現(xiàn)在你可以在Nyquist波段內(nèi)看見(jiàn)6.666MHz的信號(hào)了，這意味著你捕獲了160MHz的信號(hào)嗎？并不準(zhǔn)確。如果你在Nyquist波段內(nèi)看見(jiàn)了6.666MHz的信號(hào)，它可能表示160MHz的信號(hào)，也可以表示任何其他在圖1a上列出的頻率（26.6、39.9、60、73.3、93.3、106.6、126.6或139.9 MHz）。要想證明Nyquist波段內(nèi)6.666MHz的信號(hào)是由于采樣166MHz信號(hào)產(chǎn)生的，我們必須使用一個(gè)不同的采樣頻率再次進(jìn)行采樣。

　　怎樣區(qū)分走樣頻率？
　　如果你是用不同于一開(kāi)始的 33.333MHz的采樣頻率再次對(duì)160MHz時(shí)鐘的信號(hào)進(jìn)行采樣，走樣頻率將會(huì)出現(xiàn)在不同的地方。如果你發(fā)現(xiàn)這個(gè)新的走樣頻率也表示你可能捕獲了160MHz的信號(hào)，你就很有把握推斷說(shuō)兩次采樣中都是采樣了160MHz的信號(hào)，而將其他頻率的可能性排除。新的采樣頻率和原始頻率不要相關(guān)，否則他們具有的共模因子會(huì)削弱160MHz下的信號(hào)意義。例如，如果你使用25MHz（每個(gè)周期40ns）的采樣頻率來(lái)采樣160MHz的信號(hào)，就很難發(fā)現(xiàn)真實(shí)的結(jié)果（圖1b）。
　　使用25MHz采樣意味著160MHz比150MHz（25MHz的6倍）高出10MHz，所以它的Nyquist波段內(nèi)走樣頻率應(yīng)該出現(xiàn)在10MHz。因?yàn)?3.333MHz（一個(gè)周期30ns）和25MHz（一個(gè)周期40ns）有一個(gè)共模因子1/（10ns），也就是100MHz，他們以產(chǎn)生同樣的走樣頻率告終。