測量快速時(shí)鐘的低成本方法

　　你可以使用一個(gè)并不昂貴的數字測試儀來(lái)測量高達數百兆赫茲的頻率。
　　當需要測量一個(gè)高速時(shí)鐘信號頻率的時(shí)候，你也許會(huì )尋找一個(gè)昂貴的機架固定式盒狀裝置來(lái)完成這一任務(wù)。但如果不是針對非常高的頻率，你可以嘗試使用廉價(jià)的數字測試儀的數字采樣能力，配合上一些DSP函數庫來(lái)完成同樣的目標。本文就教你怎樣做到這一點(diǎn)。

　　被曲解的奈奎斯特(Nyquist)理論
　　現有的采樣理論使絕大多數人相信，你的采樣頻率必須至少達到你希望測量的最高頻率的兩倍以上，這意味著(zhù)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走樣的情況下才需要遵循這個(gè)規則。
　　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——例如Nextest Maverick公司的數字采樣設備（digital capture instrument，DCI）——這個(gè)時(shí)鐘信號就會(huì )走樣——這意味著(zhù)這個(gè)信號看起來(lái)就像另外一個(gè)更低頻率的信號。如果你不希望出現走樣，這是一個(gè)嚴重的問(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 )表現得像一個(gè)6.666MHz的信號（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設備不允許你實(shí)際觀(guān)察到這些波段內的信號，但是它們確實(shí)存在，證據就是那些跌入Nyquist波段范圍的走樣頻率，這些頻率在圖中使用黃色標記，波段范圍從直流信號到16.666MHz（f_S/2）。

　　因為166MHz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(guān)察到），圖中使用虛紅箭頭表示。最后，一個(gè)你可以觀(guān)察到的走樣頻率——6.666MHz將會(huì )出現在Nyquist波段內。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)信號的相位也被反轉了，雖然對于本文的目標來(lái)說(shuō)這并不重要。
　　現在你可以在Nyquist波段內看見(jiàn)6.666MHz的信號了，這意味著(zhù)你捕獲了160MHz的信號嗎？并不準確。如果你在Nyquist波段內看見(jiàn)了6.666MHz的信號，它可能表示160MHz的信號，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6.666MHz的信號是由于采樣166MHz信號產(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160MHz時(shí)鐘的信號進(jìn)行采樣，走樣頻率將會(huì )出現在不同的地方。如果你發(fā)現這個(gè)新的走樣頻率也表示你可能捕獲了160MHz的信號，你就很有把握推斷說(shuō)兩次采樣中都是采樣了160MHz的信號，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，就很難發(fā)現真實(shí)的結果（圖1b）。
　　使用25MHz采樣意味著(zhù)160MHz比150MHz（25MHz的6倍）高出10MHz，所以它的Nyquist波段內走樣頻率應該出現在10MHz。因為33.333MHz（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。