So richten Sie ein Echtzeitoszilloskop zur Messung von Jitter ein

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1. Einleitung

Eines der am häufigsten verwendeten Instrumente zur Messung von Jitter ist das Echtzeit-Digitaloszilloskop (Scope). Echtzeitoszilloskope müssen richtig konfiguriert sein, um genaue Jitter-Messungen durchführen zu können. Dieser Anwendungshinweis enthält allgemeine Richtlinien zum Einrichten eines Oszilloskops für die beste Genauigkeit der Jitter-Messung.

Das digitale Oszilloskop nutzt eine interne Zeitbasis, um seine Eingaben in regelmäßigen Abständen abzutasten. Die Abtastrate kann zwischen 1 Gsps (Giga-Samples pro Sekunde) und 256 Gsps bei den High-End-Geräten liegen. Abbildung 1 zeigt, wie das Oszilloskop ein an seinen Eingängen anliegendes Signal abtastet und anzeigt. Die Pfeile am unteren Rand der Abbildung stellen die Abtastpunkte dar, die durchgezogene Linie ist das tatsächliche Signal und die Punkte sind die abgetasteten Werte. Das vom Oszilloskop angezeigte Signal (dargestellt durch die gepunktete Linie) ist die am besten geeignete Kurve über die abgetasteten Punkte.

Dem Leser fällt möglicherweise auf, dass die abgetasteten Werte nicht immer mit dem tatsächlichen Signal übereinstimmen. Diese Abweichungen werden durch Fehler im Umfang verursacht. Die meisten dieser Fehler sind auf die Kompromisse zwischen Design und Kosten des Oszilloskops zurückzuführen, doch durch die richtige Einrichtung des Oszilloskops können einige dieser Ungenauigkeiten gemildert werden. Beispielsweise werden die Abtastpunkte in einem digitalen Oszilloskop durch eine interne Zeitbasis generiert. Als Taktquelle verfügt die Zeitbasis über eigene Jitter-Eigenschaften, die zum Jitter-Messfehler beitragen. Im Allgemeinen sollte der Zeitbasis-Jitter unter 25 % des erwarteten Signal-Jitters gehalten werden, um eine Jitter-Messung mit einer Genauigkeit von mehr als 3 % zu ermöglichen. SiTime empfiehlt, für die Durchführung von Jitter-Messungen das beste verfügbare Oszilloskop zu verwenden, da höherpreisige Geräte in der Regel über bessere Zeitbasisschaltungen mit geringerem Jitter verfügen.

Verwenden Sie die folgende Schritt-für-Schritt-Anleitung, um das Instrument manuell für die Messung von Jitter aller Art für jedes Echtzeitoszilloskop unabhängig vom Hersteller einzurichten. Obwohl vom Hersteller eine spezielle Jitter-Analysesoftware erworben werden kann, mit der das Gerät automatisch per Knopfdruck oder Assistent konfiguriert werden kann, liefert die Software nicht immer die optimale Konfiguration. Autokonfigurierte Setups sollten daher mit dem gleichen Verfahren (unten) überprüft werden. Um das Instrument für die beste Jitter-Genauigkeit zu konfigurieren, führen Sie die folgenden Schritte der Reihe nach aus.

2. Schritt 1: Initialisieren Sie das Gerät

Schalten Sie das Oszilloskop ein und stellen Sie die Werkseinstellungen wieder her. Passen Sie dann die folgenden Elemente an und speichern Sie die Messkonfiguration, um sie in Zukunft leicht abrufen zu können.

• Stellen Sie den Oszilloskopmodus auf Echtzeit ein.
• Stellen Sie den Eingangsabschluss auf 50 Ohm ein.
• Deaktivieren Sie die Wellenformmittelung.
• Entfernen Sie jegliche Verzögerung zwischen dem ersten Abtastpunkt und dem Triggerereignis. Dies reduziert Fehler aufgrund von Zeitbasisinstabilität.
• Konfigurieren Sie den Messaufbau so, dass alle erfassten Daten und nicht nur eine Teilmenge der Daten analysiert werden.
• Wählen Sie eine relativ große Aufzeichnungslänge (Speichertiefe), damit eine signifikante Menge an Jitter-Daten gemessen werden kann. Anweisungen zur Optimierung finden Sie weiter unten.
• Wählen Sie die höchste Abtastrate. Anweisungen zur Optimierung finden Sie weiter unten.
• Wählen Sie die höchste verfügbare Oszilloskopbandbreite. Anweisungen zur Optimierung finden Sie weiter unten.

3. Schritt 2: Optimieren Sie die vertikale Auflösung

Hochgeschwindigkeitsoszilloskope verwenden typischerweise Analog-Digital-Wandler (ADCs) mit mindestens 8 Bit (256 Stufen) Quantisierung. Die vom ADC gemeldete Spannung entspricht der tatsächlichen Signalspannung zuzüglich eines Quantisierungsfehlers. Bei diesem Fehler handelt es sich im Wesentlichen um einen Rundungsfehler. Um ihn zu minimieren, müssen wir den von jeder Quantisierungsstufe erfassten Spannungsbereich reduzieren. Dies erreichen wir, indem wir die Einstellung für die vertikale Auflösung oder Volt pro Teilung reduzieren. Ziel ist es, die volle Bandbreite des ADC zu nutzen. Bei den meisten Oszilloskopen bedeutet dies, die Signalwellenform so anzupassen, dass sie gerade die vertikale Höhe des Displays ausfüllt. Einige Oszilloskope sind jedoch so konzipiert, dass sie die Anzeige leicht überfüllen, um ein zusätzliches Bit im ADC zur Digitalisierung des Signals zu nutzen (wenden Sie sich für weitere Informationen an den Hersteller des Oszilloskops). Achten Sie darauf, den ADC nicht zu überlasten, da dies die Integrität der Wellenform zerstören würde.

Abbildung 2 zeigt, wie sich die Jitter-Messungen verbessern, indem einfach die vertikale Auflösung von (a) 100 mV/div auf (b) 54 mV/div für ein Beispiel eines 36-MHz-Taktsignals und drei Arten von Jitter reduziert wird: Zeitintervallfehler (TIE). ), Perioden-Jitter und Zyklus-zu-Zyklus-Jitter (C2C), angegeben in Einheiten von Sekunden Spitze-zu-Spitze (pp) und quadratischem Mittelwert (RMS). Als Referenz zeigt Abbildung 2(a) das automatisch skalierte Signal, das übrigens niemals zur Messung von Jitter verwendet werden sollte.

4. Schritt 3: Optimieren Sie die Abtastrate

Theoretisch muss die Abtastrate mindestens das Zweifache der höchsten im Signal vorhandenen analogen Frequenz betragen, um Aliasing zu vermeiden. In der Praxis erfordert der Erfassungsprozess, dass Oszilloskope mit dem 2,5- bis 3-fachen dieser Frequenz abtasten. Eine konservative Faustregel besteht darin, die Abtastrate so einzustellen, dass jede Kante mindestens fünfmal abgetastet wird. Mehr ist immer besser, um Interpolationsfehler bei der Jitter-Berechnung zu minimieren. Der Nachteil höherer Abtastraten ist eine geringere Anzahl an Jitter-Messungen, es sei denn, die Speichertiefe kann erhöht werden.

Wenn die Flanke mit der höchsten vom Oszilloskop bereitgestellten Abtastrate nicht mindestens fünfmal abgetastet werden kann, versuchen Sie, mindestens drei Abtastpunkte zwischen den 20-%- bzw. 80-%-Punkten eines steigenden bzw. fallenden Signals zu erhalten. Wenn beispielsweise die Anstiegszeit (20 % – 80 %) eines Signals 1 ns beträgt und innerhalb dieses Zeitrahmens 4 Abtastpunkte benötigt werden, muss das Oszilloskop eine Abtastrate von mehr als 4 Gsps haben. Wenn das Oszilloskop eine höhere Abtastrate hat, wählen Sie die höchste Abtastrate. Schließlich kann die Sinc-Interpolation aktiviert werden, um auf Kosten der Verarbeitungszeit zusätzliche Datenpunkte bereitzustellen.

5. Schritt 4: Optimieren Sie die Bandbreite des Oszilloskops

Die Eingänge eines digitalen Oszilloskops durchlaufen einen analogen Verstärker, bevor sie vom Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert werden. Das von diesem Verstärker erzeugte Rauschen ist proportional zur Eingangsbandbreite des Oszilloskops: Je größer die Bandbreite, desto höher das Rauschen. Eine zu starke Reduzierung der Bandbreite wirkt sich jedoch auf die Anstiegs- und Abfallzeit des abgetasteten Signals aus und führt somit zu erheblichen Fehlern bei der Jitter-Messung.

Die allgemeine Gleichung, die die Beziehung zwischen Anstiegszeit/Abfallzeit und der Bandbreite der Signalflanke beschreibt, lautet:

Dabei wird die Anstiegszeit (oder Abfallzeit) zwischen dem 20-%- und dem 80-%-Punkt der Signalflanke gemessen. Eine gängige Faustregel für die Messung von NRZ-Daten besteht darin, die Bandbreite des Oszilloskops (plus Sonden, falls verwendet) auf mindestens das 1,8-fache, besser noch das 2,8-fache der Bitrate einzustellen. Wenn Sie Taktsignale mit analogen Ausgangsspannungspegeln messen, stellen Sie die Bandbreite so ein, dass mindestens die 5. Harmonische erfasst wird. Taktsignale mit digitalen Pegeln haben eine erhebliche spektrale Energie bei viel höheren Harmonischen, und eine Bandbreite vom 20- bis 30-fachen der Grundfrequenz wird empfohlen. In einigen Bereichen kann die Bandbreite nur eingestellt werden, wenn die maximale Abtastrate ausgewählt ist. In anderen Bereichen ist die Bandbreite möglicherweise überhaupt nicht wählbar.

Eine Methode, die optimale Bandbreite in nur wenigen Sekunden einzustellen, besteht darin, die Anstiegszeit bei der höchsten Bandbreite zu messen und dann die Bandbreite zu verringern, bis sich die Anstiegszeit um mehr als 5 % von ihrem höchsten Bandbreitenwert ändert. Abbildung 3 zeigt ein solches Experiment für ein Oszilloskop mit einer maximalen analogen Bandbreite von 12 GHz. Die y-Achse ist die Anstiegs- (und Abfall-)Zeit, normiert auf den Wert bei 12 GHz und ausgedrückt als Prozentsatz. Als optimale Bandbreite wird 1 GHz beobachtet. Die Verwendung einer höheren Bandbreite würde das Jitter-Grundrauschen des Instruments erhöhen; Die Verwendung einer geringeren Bandbreite würde die gemessenen Kanten verlangsamen und den Jitter bei der AM-zu-PM-Konvertierung erhöhen. Abbildung 2(c) zeigt, wie sich die Jitter-Werte verbessern, indem die Erfassungsbandbreite von 12 GHz auf 1 GHz reduziert wird, was zu einem geringeren Grundrauschen des Instruments führt.

6. Schritt 5: Optimieren Sie die Schwellenspannung

Die Schwellenspannung ist der vertikale Pegel, den das Oszilloskop verwendet, um zu bestimmen, wo Jitter gemessen werden soll. Idealerweise wird dieser Pegel so eingestellt, dass er den Pegel emuliert, der von der Empfängerschaltung in einer Endanwendung verwendet wird. Die Schwellenspannung ist der Spannungspegel, der bewirkt, dass die Entscheidungsschwellenschaltung in einem Empfänger ihren Zustand ändert, wenn das Eingangssignal sie überschreitet. Beispielsweise beträgt die Schwellenspannung für ein Differenzsignal 0 V. Das Oszilloskop verwendet die nächstgelegenen Abtastpunkte auf beiden Seiten dieser Schwelle, um einen Kreuzungspunkt bei der Schwellenspannung zu interpolieren, der dann zur Messung des Jitters verwendet wird.

Stellen Sie die Schwellenspannung als absolute Spannung und nicht als Prozentsatz des Spannungshubs ein. Abbildung 4 veranschaulicht, warum. Wenn die Wellenform (a) amplitudenmoduliert ist, (b) sich nicht auf logisch hoch (oder logisch niedrig) einpendelt oder (c) Nachschwingungen oder andere Artefakte enthält, beträgt der 50 %-Pegel (rote Markierungen in Abbildung 4) der Amplitudenschwankung kann von dem Pegel abweichen oder abweichen, den ein Referenzempfänger (graue Linien in Abbildung 4) in einem System beobachten würde.

Die Hysteresespannung (manchmal als oberer und unterer Spannungsschwellenwert angegeben) muss ebenfalls eingestellt werden, um die Erkennung falscher Flanken zu verhindern, die auftreten können, wenn Rauschen im Signal dazu führt, dass die Schwellenspannung mehrmals pro Flanke überschritten wird. Stellen Sie die Hysteresespannung etwas höher ein als die maximale Spannungsspitze, die im Signal erwartet wird. Mit einer Oszilloskopmessung lässt sich die Spannung abschätzen. Richten Sie das Oszilloskop einfach gemäß allen Schritten in diesem Verfahren ein (einschließlich aller Schritte oben und unten) und schalten Sie dann entweder die Stromversorgung des Prüflings aus oder trennen Sie den Prüfling vom Oszilloskop. Erfassen Sie eine Wellenform und messen Sie dann die maximale Spitze-Spitze-Spannung über die gesamte Wellenform. Fügen Sie diesem Wert einen kleinen Spielraum hinzu und berechnen Sie daraus einen Hysteresewert, der in das Oszilloskop eingegeben werden kann (z. B. entweder Spitze oder Spitze-Spitze, je nach Verwendung des jeweiligen Oszilloskops). Normalerweise ist die Standard-Hysterese-Einstellung ausreichend, es sei denn, das Signal ist sehr verrauscht.

7. Schritt 6: Wählen Sie einen zu messenden Jittertyp aus

Legen Sie die Art des zu messenden Jitters (TIE, Perioden-Jitter, C2C-Jitter usw.) zusammen mit den interessierenden Kanten fest (z. B. nur steigende Flanken, nur fallende Flanken oder alle Flanken).

8. Schritt 7: Wählen Sie einen Jitter-Filter aus

Optional können auch Softwarefilter auf die gemessenen Jitterwerte angewendet werden, um die Reaktion eines Systems auf ein durchlaufendes Signal zu modellieren. Das Ziel des Filters besteht darin, nur den Jitter zu extrahieren, der vom realen System beobachtet würde. Beispielsweise wird TIE immer entsprechend den Anforderungen der seriellen Hochgeschwindigkeitsstandards gefiltert. Stellen Sie die Filtereigenschaften gegebenenfalls entsprechend einem Industriestandard oder einer Systemanforderung ein.

9. Schritt 8: Optimieren Sie die Speichertiefe

Beachten Sie, dass das Oszilloskop selbst als Brick-Wall-Bandpass-Jitterfilter fungiert. Die obere Eckfrequenz (Tiefpass) wird durch die Bandbreite des Oszilloskops festgelegt. Die untere Eckfrequenz (Hochpass) ist gleich 1 geteilt durch die Erfassungszeit. Mit anderen Worten: Die untere Eckfrequenz entspricht der Abtastrate dividiert durch die Aufzeichnungslänge, wobei die Aufzeichnungslänge die Anzahl der erfassten Abtastungen ist.

Besondere Aufmerksamkeit verdient die niedrigere Eckfrequenz, da sie die gemessenen Jitterwerte stark beeinflussen kann. Angenommen, wir erhalten ein jitterfreies Signal, wie die blaue Kurve unten in Abbildung 5 zeigt.

Als nächstes fügen Sie diesem Signal eine Phasenmodulation (dh Jitter) hinzu. Wenn alle vom Oszilloskop erfassten Daten innerhalb von 10 relativen Zeiteinheiten angezeigt werden (wie unten in Abbildung 5 dargestellt), beträgt die niedrigste Phasenmodulationsfrequenz ωn, die vollständig in diesen Zeitrahmen passt, 1 geteilt durch 10 relative Zeiteinheiten Zeit. Die roten Kurven in Abbildung 5 zeigen diese Rauschfrequenz (oben) und ihre Auswirkung auf das Signal (unten). Wenn die Rauschamplitude positiv ist, eilt das phasenmodulierte Signal (rote Wellenform) dem unmodulierten Signal (blaue Wellenform) voraus, und wenn es negativ ist, hinkt es hinterher.

Wenn wir dann das Erfassungsfenster halbieren würden, indem wir nur Daten bis zu maximal 5 relativen Zeiteinheiten erfassen, würden wir nur die Hälfte des Phasenmodulationseffekts auf unserem erfassten Signal beobachten. Der Punkt ist, dass die Verlängerung der Zeitspanne, in der wir ein Signal beobachten, es unserer Messung ermöglicht, Rauschen mit niedrigerer Frequenz zu beobachten, was den von uns gemessenen Jitter erhöhen kann, wenn dort Rauschen vorhanden ist.

In Fortsetzung der früheren Messungen zeigt Abbildung 2(d), wie eine Erhöhung der Aufzeichnungslänge (d. h. Speichertiefe) die gemessenen TIE-Werte erhöhen kann, wenn im Signal oder in der Testumgebung niederfrequentes Rauschen vorhanden ist. Beachten Sie auch, dass Periode und C2C-Jitter mit der Speichertiefe konstant bleiben. Dies liegt daran, dass TIE-Jitter per Definition in der Lage ist, niederfrequentes Rauschen zu erkennen, während Perioden- und C2C-Jitter per Definition dieses niederfrequente Rauschen im Wesentlichen herausfiltern. Eine weitere Überlegung besteht darin, dass längere Datenerfassungen die Population der Jitter-Daten erhöhen, was statistisch gesehen zu höheren Spitzenwerten führen kann (obwohl dies in Abbildung 2 zu sehen ist).

Für TIE ist die minimal erforderliche Speichertiefe die Tiefe, die erforderlich ist, um die niedrigste Rauschfrequenz für eine bestimmte Anwendung oder einen bestimmten Standard zu erfassen. Wenn die Anwendung oder der Standard beispielsweise die Analyse von TIE-Frequenzen zwischen 10 kHz und 20 MHz erfordert und das Oszilloskop 40 GSps benötigt, um mindestens 5 Abtastungen pro Kante zu erfassen, beträgt die minimal erforderliche Speichertiefe 40 GSps × 10 kHz = 4 Datenmengen.

Beginnen Sie bei Perioden- oder C2C-Jitter mit einer kleinen Speichertiefe und erhöhen Sie diese dann, bis der Jitter-Wert konstant bleibt. Um etwas Spielraum zu schaffen, verwenden Sie eine minimale Speichertiefe, die etwas höher als dieser Wert ist. Für N-Zyklus-Jitter ist die minimal erforderliche Speichertiefe diejenige, die zum Erfassen von N kontinuierlichen Zyklen erforderlich ist.

Unabhängig von der Art des gemessenen Jitters führt die Verwendung der minimal erforderlichen Speichertiefe nicht zu einer ausreichend großen Population, um den Jitter zu quantifizieren. Die genaue Population hängt von der Anwendung ab, aber 1E+4-Messungen sind ein guter Anfang für Taktjitter (für die Messung von Jitter in Datensignalen ist viel mehr erforderlich; siehe Dokumentation zum Hochgeschwindigkeitsdatenstandard). Um die Anzahl der Jitter-Messungen zu erhöhen, erhöhen Sie die Speichertiefe weit über den erforderlichen Mindestwert hinaus oder ermöglichen Sie die Akkumulation der Messstatistiken über mehrere Datenerfassungen oder beides.

10. Verwandte Ressourcen

Weitere Informationen zu Jitter-Typen, Oszilloskop-Einrichtungsrichtlinien und Verfahren zur Messung verschiedener Jitter-Typen, einschließlich Perioden-Jitter, Zyklus-zu-Zyklus-Jitter und Langzeit-Jitter, finden Sie im Anwendungshinweis AN10007: Definitionen und Messmethoden für Takt-Jitter ( d. h. N-Zyklus-Jitter).

Einen theoretischen Überblick über Phasenrauschen, empfohlene Methoden zur Phasenrauschmessung und praktische Richtlinien zur Phasenrauschmessung für den ordnungsgemäßen Anschluss eines zu prüfenden Signals an das Instrument, die Einrichtung des Phasenrauschanalysators und die Auswahl finden Sie im AN10062-Leitfaden zur Messung von Phasenrauschen für Oszillatoren entsprechende Einstellungen.

Sehen Sie sich unser Tutorial-Video zur Phasenrauschmessung an, um zu erfahren, wie Sie mit einem Phasenrauschanalysator genauere Phasenrauschmessungen erzielen. Dieses Tutorial enthält Tipps zum Einrichten eines Analysegeräts, zur Verwendung der Gerätefunktionen und -einstellungen sowie zur Interpretation der Ergebnisse.

Weitere Informationen zum Messen von Jitter mit einem Echtzeitoszilloskop, wenn der Jitterpegel, der einem Signal aus der Messumgebung hinzugefügt wird, sich dem intrinsischen Jitter des Signals nähert oder diesen überschreitet, finden Sie im Anwendungshinweis AN10074 „Entfernen von Oszilloskoprauschen aus RMS-Jittermessungen“.

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Tabelle 1: Revisionsverlauf