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使用低價位儀器測試高速時鐘

發布時間:2007/8/23 0:00:00 訪問次數:421

當你需要測量高速時鐘頻率時,可能選擇價位昂貴的臺面儀器。而實際上,使用低價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鐘。下文介紹了具體的實現辦法。
奈奎斯特定律的混疊
我們都相信,取樣原理稱,取樣頻率必須比被測最高頻率高兩倍。例如,當捕獲160MHz的時鐘,就要用320MHz以上的頻率。如果使用33.333MHz取樣器捕捉160MHz時鐘,例如Nextest Marerick公司的數字捕捉儀,則時鐘信號必然會出現混疊,或者可能得到另一個較低的頻率。
一個160MHz時鐘會混疊成為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,在頻域產生的不同頻段如圖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。


 

點擊看原圖
圖1對160MHz信號取樣,a)用33MHz采樣率,b)用25MHz產生不定性, 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,它將通過幾個頻段向后混疊(而你同樣不能直接觀察到它),由紅色箭頭表示。實際上你能夠看到的6.666MHz 混疊會出現在奈奎斯特頻段內,混疊出現在DC以上6.666MHz的原因是,它來自約為取樣率4.5倍的上半部頻段,再折疊回來表現為鏡子里的反向圖像。相位也會反轉,但是對采樣目的來說,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行再抽樣。
如果使用另一個與原來33.333MHz不同的取樣率對160MHz時鐘取樣時,混疊頻率降落在不同的位置。如果你見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的取樣率,不然它們就會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,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,所以它們最后將產生共同的混疊頻率。
使用正交取樣頻率
因為第二個取樣頻率將確認真正捕捉的信號,因此需要一個完全與原來取樣頻率無關的頻率(沒有公共因子)來進行取樣。一種方法是采用鎖相環使系統時鐘偏移,但這樣會導致標準系統時鐘周期分辨率的變化。
對于Nextest Maverick的儀器,可以使用APG的鎖相環來選擇頻率。所以你必須挑選少數幾個與33.333MHz取樣頻率沒有公共因子的頻率,例如77MHz(12.987013ns),周期采用38.961039ns(3*系統時鐘周期),相應取樣頻率是25.666666MHz。可是,不能在運行中切換鎖相環,因此必須做一次捕捉時全部時間復位,然后再做第二次捕捉。因為捕捉時間極快,對測試時間影響不大。
采用這個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工作的重點。可再次通過圖1a來證實這一要點。圖中出正確結果160MHz以外,在兩列混疊中沒有出現相同的頻率。
需要記住的是,要設置兩次不同的時間、兩個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設置,因為大部分測試儀器不支持在運行期間切換時間。
還需要設定捕捉一起去捕捉時鐘引腳,以期收集到表示時鐘引腳瞬變的數碼1和0序列。顯然,比較器電壓要設定在時鐘50%的點上,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做到這些,有些則不能,因為它們并非設計用于時間波形的捕捉。
確定時鐘頻率
現在對兩個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),這個方法還未曾被運用。
波形可能會有少量“低矮瞬變”,即由噪聲產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

當你需要測量高速時鐘頻率時,可能選擇價位昂貴的臺面儀器。而實際上,使用低價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鐘。下文介紹了具體的實現辦法。
奈奎斯特定律的混疊
我們都相信,取樣原理稱,取樣頻率必須比被測最高頻率高兩倍。例如,當捕獲160MHz的時鐘,就要用320MHz以上的頻率。如果使用33.333MHz取樣器捕捉160MHz時鐘,例如Nextest Marerick公司的數字捕捉儀,則時鐘信號必然會出現混疊,或者可能得到另一個較低的頻率。
一個160MHz時鐘會混疊成為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,在頻域產生的不同頻段如圖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。


 

點擊看原圖
圖1對160MHz信號取樣,a)用33MHz采樣率,b)用25MHz產生不定性, 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,它將通過幾個頻段向后混疊(而你同樣不能直接觀察到它),由紅色箭頭表示。實際上你能夠看到的6.666MHz 混疊會出現在奈奎斯特頻段內,混疊出現在DC以上6.666MHz的原因是,它來自約為取樣率4.5倍的上半部頻段,再折疊回來表現為鏡子里的反向圖像。相位也會反轉,但是對采樣目的來說,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行再抽樣。
如果使用另一個與原來33.333MHz不同的取樣率對160MHz時鐘取樣時,混疊頻率降落在不同的位置。如果你見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的取樣率,不然它們就會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,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,所以它們最后將產生共同的混疊頻率。
使用正交取樣頻率
因為第二個取樣頻率將確認真正捕捉的信號,因此需要一個完全與原來取樣頻率無關的頻率(沒有公共因子)來進行取樣。一種方法是采用鎖相環使系統時鐘偏移,但這樣會導致標準系統時鐘周期分辨率的變化。
對于Nextest Maverick的儀器,可以使用APG的鎖相環來選擇頻率。所以你必須挑選少數幾個與33.333MHz取樣頻率沒有公共因子的頻率,例如77MHz(12.987013ns),周期采用38.961039ns(3*系統時鐘周期),相應取樣頻率是25.666666MHz。可是,不能在運行中切換鎖相環,因此必須做一次捕捉時全部時間復位,然后再做第二次捕捉。因為捕捉時間極快,對測試時間影響不大。
采用這個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工作的重點。可再次通過圖1a來證實這一要點。圖中出正確結果160MHz以外,在兩列混疊中沒有出現相同的頻率。
需要記住的是,要設置兩次不同的時間、兩個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設置,因為大部分測試儀器不支持在運行期間切換時間。
還需要設定捕捉一起去捕捉時鐘引腳,以期收集到表示時鐘引腳瞬變的數碼1和0序列。顯然,比較器電壓要設定在時鐘50%的點上,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做到這些,有些則不能,因為它們并非設計用于時間波形的捕捉。
確定時鐘頻率
現在對兩個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),這個方法還未曾被運用。
波形可能會有少量“低矮瞬變”,即由噪聲產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

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