一個25MHZ時鐘信號的單調性問題測試分析

圖5 一個隨機數字波形及其功率譜
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，當頻率高于轉折頻率（Fknee）后，信號能量以遠高于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給出了這個轉折頻率與信號上升時間的關系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文獻中也會按照0.35/Tr或者0.4/Tr來計算），從該式中我們可以看出該轉折頻率只與信號的上升時間有關。因此說，信號的上升時間對信號的能量分布范圍起到很關鍵的作用，上升時間越小（信號沿越陡），信號主要能量集中的范圍越寬，如果要更加準確的測量信號，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出來；因此根據上述分析可以初步認為示波器帶寬對該回溝的影響不應該是主要因素。采樣率過低也可能導致回溝問題的一個主要原因。
我們仔細分析在20Gs/s采樣率下測得的信號，發現回溝時間恰好為100ps左右；而當采樣率為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。為了很準確的測量信號的沿，需要有相對應的采樣率，下圖描述了信號上升沿與采樣點間隔的關系，當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就越大，該盲區的細節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系
五、合理選擇測量示波器的建議 1、首先，需要仔細分析需要測量的信號，不僅僅是頻率，還應該關注信號的上升時間；因為一個基本的信號是由數個頻率不同的正弦信號構成，信號沿越陡，信號中包含的高頻正弦信號分離就越多，如果我們需要準確的測量信號則首先必須準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，則可以根據上升時間去估測。
2、要明確需要關注的信號的細節的程度，即信號在多大的時間間隔內出現不穩定因素如單調性、過沖等可能會給系統帶來問題，然后再結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