09 时钟单调性问题调试.pdfVIP

高速信号常见问题分析（一） 一个 25MHZ 时钟信号的单调性问题测试分析 美国力科公司上海代表处 胡为东 【摘要】 本文结合实际测试中遇到的时钟信号回沟问题介绍了高速信号的概念，进一步阐述了高 速信号与高频信号的区别，分析了 25MHZ时钟信号沿上的回沟等细节的测试准确度问题，并 给出了高速信号测试时合理选择示波器的一些建议。 【关键词】 高速信号 示波器 时钟 回沟 带宽 采样率 一、问题的提出 下图 1 为一个 25MHZ 时钟信号的测试结果截图： 图 1 使用一个 1G 带宽、10GS/S 的示波器测试一个25M 的时钟信号的频率、上升时间等测 试结果 测得上升时间为 485ps ，时钟频率为 25MHZ 左右。从这个测试结果图上我们并不能看 出什么问题来，时钟频率的偏差也很小。 对于时钟信号，我们通常是使用其上升沿或者下降沿的中间电平位置来采样数据，因此 时钟信号上升沿或者下降沿的单调性就显得非常重要。下图 2 为该时钟上升沿的细节，从该 图上我们可以清楚的看到示波器对该信号的采样点位置及采样点个数。 图2 使用一个 1G 带宽、10GS/S 的示波器测试一个25M 的时钟上升沿的测试结果 从图 2 上我们可以看到波形上升沿比较平滑，单调性很好。 那么如果我们用一个更高带宽、更高采样率的示波器来测这个时钟会有什么样的变化 呢？下图 3 为用一个 6G 带宽的示波器，20GS/s 采样率去测量该时钟信号，我们发现在该时 钟信号的上升沿的中点位置处明显有一个回沟，说明事实上该时钟信号的上升沿是非完全单 调的！ 图3 使用一个 6G 带宽、20GS/S 的示波器测试一个25M 的时钟上升沿的测试结果 那么到底是由于示波器带宽的原因还是由于示波器采样率的原因导致该时钟信号在 1G 带宽的示波器上和 6G 带宽的示波器上测试结果的差异呢？下图 4 为用一个 6G 带宽的示波 器，10GS/s 采样率去测量该时钟信号的测试结果图： 图4 使用一个 6G 带宽、10GS/S 的示波器测试一个25M 的时钟上升沿的测试结果 从图 4 中我们可以看到，波形的回沟已经变得很不明显，和 1G 带宽，10GS/s 采样率的 示波器测得的结果很类似，另外我们还将 6GHZ 带宽的示波器带宽限制到了 1GHZ ,当使用 10Gs/s 的采样率的时候，上升沿上看不到回沟；当使用 20Gs/s 的采样率的时候，能够看到 回沟，通过分析比较我们应该可以认为该时钟信号的非单调边沿未能准确测试主要原因应该 是示波器采样率不足，示波器带宽也可能有一定的影响，但是影响应该很小。 谈到这里我们可能会有几个较难理解的问题： （1）1G 带宽的示波器测量一个频率为 25MHZ 的时钟是否足够？因为通常来讲示波器 的带宽是被测信号带宽的 5 倍左右就能非常精确的测试这个信号。 （2 ）对于特定带宽的示波器，比如说 1GHZ，最大采样率为 10GS/s 是否足够，采样率 是不是越大越好，我们通常会认为对于一定的带宽的示波器，采样率做的特别高没有太大的 意义，因为示波器的带宽是一定的。 带着这些问题我们先来简单了解一下高速信号和高频信号的概念。 二、高速电路和高速信号的基本概念 通常会从两个角度来定义高速电路和高速信号： 1、频率角度 通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过 45MHZ-50MHZ ，而且工作在这个频率 之上的电路或者信号占整个电路的系统达到一定的份量，如 1/3 以上，那么会称该电路为高 速电路，相关的信号为高速信号。 2 、信号上升时间角度 通常认为当信号的传输延时小于其上升时间（或者下降时间）的 1/6的时候，该电路会 呈现出分布系统的特性，也将该电路称高速电路，相关的信号叫做高速信号。 基于上述两个角度对高速信号概念的描述，我们可总结为：即使一个信号频率很低，如 只有 25MHZ，也可能因为它的上升时间很陡而将其归入高速信号的范畴，应以处理高速信号 的方法去处理它们。在高速设计中上升时间是衡量高速信号的一个很重要的特性。 三、信号上升时间与信号功率谱的关系