示波器測時鐘會有什么樣的變化

一、問題的提出

下圖1為一個25MHz 時鐘信號的測試結(jié)果截圖：

圖1使用一個1G帶寬、10GS/S的示波器測試一個25M的時鐘信號的頻率、上升時間等測試結(jié)果

測得上升時間為485ps，時鐘頻率為25MHz左右。從這個測試結(jié)果圖上我們并不能看出什么問題來，時鐘頻率的偏差也很小。對于時鐘信號，我們通常是使用其上升沿或者下降沿的中間電平位置來采樣數(shù)據(jù)，因此時鐘信號上升沿或者下降沿的單調(diào)性就顯得非常重要。下圖2為該時鐘上升沿的細(xì)節(jié)，從該圖上我們可以清楚地看到示波器對該信號的采樣點(diǎn)位置及采樣點(diǎn)個數(shù)。

圖2使用一個1G帶寬、10GS/S的示波器測試一個25M的時鐘上升沿的測試結(jié)果

從圖2上我們可以看到波形上升沿比較平滑，單調(diào)性很好。

那么如果我們用一個更高帶寬、更高采樣率的示波器來測這個時鐘會有什么樣的變化呢？下圖3為用一個6G帶寬的示波器，20GS/s采樣率去測量該時鐘信號，我們發(fā)現(xiàn)在該時鐘信號的上升沿的中點(diǎn)位置處明顯有一個回溝，說明事實(shí)上該時鐘信號的上升沿是非完全單調(diào)的！

圖3使用一個6G帶寬、20GS/S的示波器測試一個25M的時鐘上升沿的測試結(jié)果

那么到底是由于示波器帶寬的原因還是由于示波器采樣率的原因?qū)е略摃r鐘信號在1G帶寬的示波器上和6G帶寬的示波器上測試結(jié)果的差異呢？下圖4為用一個6G帶寬的示波器，10GS/s采樣率去測量該時鐘信號的測試結(jié)果圖：

圖4使用一個6G帶寬、10GS/S的示波器測試一個25M的時鐘上升沿的測試結(jié)果

從圖4中我們可以看到，波形的回溝已經(jīng)變得很不明顯，和1G帶寬，10GS/s采樣率的示波器測得的結(jié)果很類似，另外我們還將6GHz帶寬的示波器帶寬限制到了1GHz ,當(dāng)使用10Gs/s的采樣率的時候，上升沿上看不到回溝；當(dāng)使用20Gs/s的采樣率的時候，能夠看到回溝，通過分析比較我們應(yīng)該可以認(rèn)為該時鐘信號的非單調(diào)邊沿未能準(zhǔn)確測試主要原因應(yīng)該是示波器采樣率不足，示波器帶寬也可能有一定的影響，但是影響應(yīng)該很小。談到這里我們可能會有幾個較難理解的問題：

（1）1G帶寬的示波器測量一個頻率為25MHz的時鐘是否足夠？因?yàn)橥ǔ碇v示波器的帶寬是被測信號帶寬的5倍左右就能非常精確的測試這個信號。

（2）對于特定帶寬的示波器，比如說1GHz，最大采樣率為10GS/s是否足夠，采樣率是不是越大越好，我們通常會認(rèn)為對于一定的帶寬的示波器，采樣率做的特別高沒有太大的意義，因?yàn)槭静ㄆ鞯膸捠且欢ǖ?。帶著這些問題我們先來簡單了解一下高速信號和高頻信號的概念。

二、高速電路和高速信號的基本概念

信號上升時間與傳輸時間

通常認(rèn)為當(dāng)信號的傳輸延時小于其上升時間（或者下降時間）的1/6的時候，該電路會呈現(xiàn)出分布系統(tǒng)的特性，也將該電路稱高速電路，相關(guān)的信號叫做高速信號。

即使一個信號頻率很低，如只有25MHz，也可能因?yàn)樗纳仙龝r間很陡而將其歸入高速信號的范疇，應(yīng)以處理高速信號的方法去處理它們。在高速設(shè)計(jì)中上升時間是衡量高速信號的一個很重要的特性。

三、信號上升時間與信號功率譜的關(guān)系

Howard Johnson的《High-Speed Digital Design》這篇經(jīng)典之作的第一章對該問題進(jìn)行了闡述和分析，給出了轉(zhuǎn)折頻率的概念以及其與信號上升時間的關(guān)系。

圖5一個隨機(jī)數(shù)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(dāng)頻率高于轉(zhuǎn)折頻率（Fknee）后，信號能量以遠(yuǎn)高于20dB/decade的速度下降，該頻點(diǎn)后的能量在信號總能量中占有比例很小。

Howard給出了這個轉(zhuǎn)折頻率與信號上升時間的關(guān)系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文獻(xiàn)中也會按照0.35/Tr或者0.4/Tr來計(jì)算），從該式中我們可以看出該轉(zhuǎn)折頻率只與信號的上升時間有關(guān)。因此說，信號的上升時間對信號的能量分布范圍起到很關(guān)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(zhǔn)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(zhǔn)確地測量信號。

四、上述25MHZ時鐘測試問題的解釋

從上面的測試結(jié)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(shí)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(zhuǎn)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(yīng)該可以得到很好的精度，然而實(shí)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(xiàn)出來；因此根據(jù)上述分析可以初步認(rèn)為示波器帶寬對該回溝的影響不應(yīng)該是主要因素。采樣率過低也可能導(dǎo)致回溝問題的一個主要原因。

我們仔細(xì)分析在20Gs/s采樣率下測得的信號，發(fā)現(xiàn)回溝時間恰好為100ps左右；而當(dāng)采樣率為10Gs/s時，兩個采樣點(diǎn)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(diǎn)，從而使得信號沿的回溝不能正確得到顯示。為了很準(zhǔn)確的測量信號的沿，需要有相對應(yīng)的采樣率，下圖描述了信號上升沿與采樣點(diǎn)間隔的關(guān)系，當(dāng)采樣率固定的情況下，信號上升沿越陡，兩個采樣點(diǎn)之間的盲區(qū)就越大，該盲區(qū)的細(xì)節(jié)就會得不到正確的顯示。

圖6信號上升沿與示波器采樣點(diǎn)間隔的關(guān)系

五、合理選擇測量示波器的建議

1、首先，需要仔細(xì)分析需要測量的信號，不僅僅是頻率，還應(yīng)該關(guān)注信號的上升時間；因?yàn)橐粋€基本的信號是由數(shù)個頻率不同的正弦信號構(gòu)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(zhǔn)確的測量信號則首先必須準(zhǔn)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(jù)上升時間去估測。

所以，該測試過程中，雖然第一次測試1GHz的帶寬滿足了系統(tǒng)的要求，但是采樣率并不滿足，但是由于1GHz帶寬的示波器，一般采樣率也有限，我們必須選用更高采樣能力的示波器進(jìn)行采樣（只有選用更高帶寬的示波器）。

2、要明確需要關(guān)注的信號的細(xì)節(jié)的程度，即信號在多大的時間間隔內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定因素如單調(diào)性、過沖等可能會給系統(tǒng)帶來問題，然后再結(jié)合信號的上升時間來選取測試示波器的采樣率。

也就是在這個測試過程中出現(xiàn)的回溝是否需要解決，應(yīng)該是分析后續(xù)邏輯電路的，采樣電平，包括響應(yīng)速度，這個回溝是否會導(dǎo)致誤碼，數(shù)字信號錯誤等情況，來決定是否需要解決。