一个25MHZ时钟信号的单调性问题测试分析

图5 一个随机数字波形及其功率谱
上图5中信号的上升时间Tr为时钟周期的1/100。从功率谱图中我们看到，当频率高于转折频率（Fknee）后，信号能量以远高于20dB/decade的速度下降，该频点后的能量在信号总能量中占有比例很小。
Howard给出了这个转折频率与信号上升时间的关系：Fknee=0.5/Tr（注：有的文献中也会按照0.35/Tr或者0.4/Tr来计算），从该式中我们可以看出该转折频率只与信号的上升时间有关。因此说，信号的上升时间对信号的能量分布范围起到很关键的作用，上升时间越小（信号沿越陡），信号主要能量集中的范围越宽，如果要更加准确的测量信号，则需要示波器的带宽也越宽；反之，上升时间越大（信号沿越缓），信号主要能量集中的范围越窄，带宽较窄的示波器也能比较准确的测量信号。
四、上述25MHZ时钟测试问题的解释从上面的测试结果截图中我们可以看到，测量得到的时钟信号的上升时间约为600ps左右，除去示波器和探头的影响，信号本身的实际上升时间大约为500ps左右。那么代入公式Fknee=0.5/Tr可以得到该信号的功率谱的转折频率约为1GHZ；也就是说，用1GHZ带宽的示波器去测试该信号应该可以得到很好的精度，然而实际情况是用1GHZ的示波器测试该时钟信号时上升沿处的回沟并没有完全被体现出来；因此根据上述分析可以初步认为示波器带宽对该回沟的影响不应该是主要因素。采样率过低也可能导致回沟问题的一个主要原因。
我们仔细分析在20Gs/s采样率下测得的信号，发现回沟时间恰好为100ps左右；而当采样率为10Gs/s时，两个采样点之间的时间间隔也正好为100ps左右，因此示波器在采样时很有可能不能正确地采集到回沟处的点，从而使得信号沿的回沟不能正确的得到显示。为了很准确的测量信号的沿，需要有相对应的采样率，下图描述了信号上升沿与采样点间隔的关系，当采样率固定的情况下，信号上升沿越陡，两个采样点之间的盲区就越大，该盲区的细节就会得不到正确的显示。

图6 信号上升沿与示波器采样点间隔的关系
五、合理选择测量示波器的建议 1、首先，需要仔细分析需要测量的信号，不仅仅是频率，还应该关注信号的上升时间；因为一个基本的信号是由数个频率不同的正弦信号构成，信号沿越陡，信号中包含的高频正弦信号分离就越多，如果我们需要准确的测量信号则首先必须准确的测量这些高频正弦分量，这些正弦高频分量通常比信号本身的频率要高，具体有多高，则可以根据上升时间去估测。
2、要明确需要关注的信号的细节的程度，即信号在多大的时间间隔内出现不稳定因素如单调性、过冲等可能会给系统带来问题，然后再结合信号的上升时间来选取测试示波器的采样率。
参考资料【1】《High-Speed Digital Design》,Howard Johnson