信号振铃遇到过没？来聊聊为啥

硬件笔记本

前两天做测试，碰到下图这样的波形。其实，在信号线或者开关波形上，经常会有类似振铃出现，不晓得你有没有思考过为什么。今天我们就在这里聊一聊振铃。
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一道面试题
( K$ m+ F2 G: o% v: Z
照例，先抛出来一道面试“信号的振铃有没有遇到过？有考虑过为什么吗？” 怎么样？看似随口一说的问题，但往往暗藏玄机。

自我感觉良好的答案

有些小伙伴会觉得：这个问题简单，当然不在话下。信号出现振铃，当然是信号反射，是阻抗不连续导致的！
7 a; v1 I1 z% W' C6 S8 V当然，这个答案绝对没问题，但只能说是中规中矩，并无特色。那么你的得分也不会和别人有什么差别。而面试官凭什么要给你pass呢？
上面是从传输线理论维度出发，估计有个几年研发经验的小伙伴都能想到。如果你能另辟蹊径，从不一样的角度给出不一样的解释，那special offer估计就在向你招手了。
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不一样的维度

# C5 R* }" `9 {$ f  U振铃多出现在数字电路的信号跳变的边沿处，从0到1，从1到0。比如文章开头的波形图片，就是从1到0切换时发生振铃。
' g. w8 u# f0 N+ g. q. I4 V2 A( h那为什么总是在电平切换时发生？
数字信号在电平状态切换时，陡峭的上升沿或下降沿，其中蕴含了非常丰富的频率分量，而且带宽极宽，频率覆盖范围很宽。这个，如果你学过信号与系统 或 研究过傅里叶变换，都会比较清楚。
+ P5 }- g; g, r# Z/ ]. p当然，仅仅是频率范围宽并不会发生振铃。
' \6 j4 C% u) U% }# z9 u/ ^但关键是，数字信号电路都是通过PCB导线、芯片IC、阻容感等电路搭起来的。读过我前面文章的小伙伴应该知道：PCB板上的layout走线，一般都会有寄生电感，nH级，而芯片端IO管脚也会有寄生电容，pf级。
, d: C5 _3 h* @! N电路中有了L和C，可能会发生什么？
( w# _! A- m" W1 l) u7 QLC谐振！

! I$ O1 f# ^. [6 }. a+ Q' p) ~8 H) f发生谐振会怎样？
选频特性，会使谐振点上的频率分量放大，而且是很多倍！再和原来的信号做叠加，就形成了振铃。
只是文字描述，你可能不太信服，那咱们仿真看看哈……
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仿真分析
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根据经验值，1cm的PCB 走线，寄生电感大概为10nH。而芯片点输入端的寄生电容，姑且按5pf来估算（并不是很严谨）。如此，我们把数字电路发送和接收的模型搭建如下图所示。VG1为数字电路发送的激励源，设置为频率2MHz的方波。
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$ d2 C$ d/ K" K/ B  t% q5 s# I: F用示波器看下波形，如下图，输出信号画圈的部分，明显可以看出有“振铃”。
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4 x! e  ]2 q# p7 @) A! j把时基从100ns调整到5ns，波形放大，如下图，可以看到明显的振铃波形。
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当然，如果仅仅分析到这里，那只能说是有振铃出现，并没有找到我们想要的原因。浅尝辄止？不是我的调性。继续把波形放大哈…
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继续放大波形，可以看到振铃波形呈现为一定周期的阻尼振荡。用光标卡一下时间，Xa=5.83ns，Xb=4.34ns，dX=1.5ns，由此可以计算阻尼振荡的周期f。
f=1/dX=666MHz
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) c% ?! s8 B2 D* [6 A2 R( l3 c666MHz，是什么？不晓得，继续往下分析。
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' r5 l7 W& ^7 x8 _$ @: m
% i6 z3 e$ }# m8 v% `' e1 R7 @# [/ s我们用交流分析看下这个电路的频率增益曲线，发现高频处有谐振点，谐振频率为689MHz，接近666MHz！
说明LC有发生串联谐振，并在该电路中充分展示了LC谐振的选频特性，把基频2MHz的666MHz的高次谐波分量选出并进行(将近)24dB的放大，再和原来的基波叠加，在输出信号上体现出振铃波形。
- R7 P4 ]7 y( k! d$ ^; q6 n3 s说到这里，再回过头看看前面说的：
①总在信号电平状态切换时发生；
②频率覆盖范围很宽；
③寄生电感和寄生电容；
④LC谐振，
⑤选频放大特性，
把这些都串在一起，理论分析结合仿真数据，这个问题是不是就很清晰了？

/ _" G( x7 V! ^4 @! @- V# s7 M总结

9 d' f7 \& z3 ^( _& ]2 j( f信号出现振铃，为什么？
9 n8 x% E8 q8 V2 y, ^维度1：从传输线理论维度，信号反射，是阻抗不连续导致的！
维度2：从LC谐振维度，LC有发生串联谐振，LC谐振的选频特性将信号状态切换时的高次谐波频率分量选出并放大，叠加到基波上进而形成振铃。
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这里另外抛出两个附加题：
问题一：为什么是这个666MHz的高次(333次)谐波，那670M(335次)，674M(337次)等其它高次谐波呢？
1 P! G% F7 D8 F, u  K: M3 {! f) p; B0 q问题二：振铃波形为什么越来越小，呈阻尼趋势呢？