Extraña frecuencia extra en el oscilador de cristal

Heredé un circuito de otro diseñador usando un cristal de 12.288 MHz como fuente para un reloj de audio. Recientemente tuvimos problemas con la cadena de suministro y me pidieron que aprobara una parte alternativa con especificaciones idénticas. Como parte de esto, comparé un FFT de nuestra unidad de "muestra de oro" y el nuevo cristal en consideración.

Me sorprendió descubrir que el FFT de ambas unidades se veía así:

Aquí puede ver dos picos de frecuencia, uno a 12.28 MHz (cercano a los 12.288 MHz esperados) y otro con una amplitud prácticamente idéntica a 12.72 MHz. Esto me parece una mala noticia, aunque la salida de audio me suena bien.

¿Alguien sabe cuál es la causa probable de esto? Dado que esto se usa para cronometrar un DSP (que lo usa como fuente de reloj de audio), ¿es probable que haya impactos negativos de este tipo de comportamiento?

clock crystal fft

— stefandz
fuente

Aliasing de muestra?

— Ignacio Vazquez-Abrams

Huele a error del operador del osciloscopio, pero no tengo un Rigol, así que no sé qué buscar.

— tubería

Un DSO con función FFT no es lo mismo que un analizador de espectro real. Podría ser un artefacto del DSO-FFT. ¿Tiene la posibilidad de usar una SA real?

— Cuajada

¿Estás conectando el telescopio directamente a través del cristal? Si lo hace, entonces la capacitancia de las sondas "atraerá" la frecuencia del cristal.

— Steve G

Estoy sondeando la salida del amplificador de cristal, que aún puede aumentar un poco la frecuencia de oscilación, pero no esperaría ver este segundo pico. Sin embargo, estoy de acuerdo en que este no es un espectro real debido a la FFT. No tengo una SA real, pero veré si puedo acceder a una.

— stefandz

Respuestas:

Dos observaciones:

12.28 y 12.72 son exactamente simétricos alrededor de 12.50 MHz.
La forma de onda que se muestra parece tener "latidos".

Los latidos son reales (vería latidos si tuviera una mezcla de dos frecuencias presentes) o son un artefacto de muestreo. No es necesario que la frecuencia de muestreo sea demasiado baja (en el sentido del criterio de Nyquist); es suficiente que haya un "bloqueo de fase" casi perfecto entre la frecuencia de muestreo y la frecuencia de interés.

En este caso, creo que los latidos son consecuencia de la forma en que se muestran los datos. Escribí algunas líneas de código para simular esto. Si supone que su pantalla tiene 512 píxeles de ancho y muestra una muestra por columna de píxeles, entonces, para la frecuencia dada, obtendrá la siguiente gráfica:

Lo cual es indistinguible de dos frecuencias que golpean entre sí. Ahora sé que su pantalla es probablemente más estrecha que eso, pero tal vez haya algún intento de inteligencia en el software de la pantalla, precisamente para intentar reducir el alias. Pero "inteligente" no siempre es lo mismo que "correcto".

Estoy de acuerdo con Olin: ponga a funcionar el antiguo alcance analógico ... o al menos, muestre menos ciclos en su pantalla para ver qué le dice eso.

— Floris
fuente

Esto realmente parece un artefacto de muestreo en su extremo, no algo que el cristal está haciendo. Expanda la escala de tiempo del alcance (menor tiempo / división) hasta que solo tenga un ciclo o dos por división como máximo. Si es un problema de alias de muestreo, entonces el artefacto debería desaparecer.

Alternativamente, mire la señal con un alcance analógico Ye Olde.

Si resulta que es un artefacto de muestreo, regrese y lea sobre la teoría de muestreo, prestando especial atención a lo que Nyquist tenía que decir. Aprenda también sobre "aliasing".

Básicamente, un flujo de muestreo de punto solo puede preservar frecuencias de hasta la mitad de la frecuencia de muestreo. Las frecuencias más altas que la mitad de la frecuencia de muestreo parecen frecuencias más bajas en la señal de entrada. Dicho de otra manera, después de muestrear, todo parece una frecuencia de 0 a la mitad de la frecuencia de muestreo, ya sea que haya estado en ese rango antes o no.

En la práctica, es bueno tener un margen saludable entre el doble de la frecuencia más alta en la señal de entrada y la frecuencia de muestreo.

— Olin Lathrop
fuente

Gracias por esto, Olin. El ajuste de la ventana de captura para incluir solo uno o dos ciclos por división ayuda (a costa de la resolución del dominio de frecuencia). Además, la visualización con un alcance analógico muestra un reloj agradable y sin fluctuaciones. Supongo que a la parte desconfiada de mí le resulta difícil conciliar si los ajustes que hice dan como resultado una representación más fiel de la señal original o si acabo de marcar lo que no quería ver, si eso tiene sentido. Lamentablemente, no puedo ajustar la ventana de captura para que sea un número completo de ciclos, lo que también ayudaría.

— stefandz

@stefandz Esta es la razón por la que insinué tal vez un error del operador: no estaría tan seguro de que la FFT en Rigol funcione con todos esos 1 Gs / s cuando te alejaste. Tal vez tiene diferentes modos, bajando las muestras a un número fijo para ganar velocidad. Tal vez puedas apagar eso.

— tubería

@pipe tal vez es hora de que RTM!

— stefandz

@stefandz Los ámbitos Rigol (al menos la serie 1000Z) tienen la costumbre de generar mediciones basadas solo en los datos mostrados. Creo que incluso con una frecuencia de muestreo de 1Ts / s, estará limitado por lo que se muestra en la pantalla. Intente adquirir los datos sin procesar y calcule la FFT en una PC para ver si obtiene el mismo resultado. Algo como esto rheslip.blogspot.com/2015/09/… podría ayudar.

— Sredni Vashtar

@Dmitry: Sí, eso suena como algo que al menos debes considerar cuando ves ese tipo de artefacto.

— Olin Lathrop