如何设置实时示波器来测量抖动

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一、简介

用于测量抖动的最常用仪器之一是实时数字示波器（范围）。实时示波器必须正确配置才能进行准确的抖动测量。本应用笔记提供了设置示波器以获得最佳抖动测量精度的一般指南。

数字示波器使用内部时基定期对其输入进行采样。高端设备的采样率范围为 1 Gsps（每秒千兆样本）到 256 Gsps。图 1 说明了示波器如何采样和显示提供给其输入的信号。图底部的箭头代表采样点，实线是实际信号，点是采样值。示波器显示的信号（由虚线表示）是采样点的最佳拟合曲线。

读者可能会注意到采样值并不总是与实际信号匹配。这些差异是由范围错误造成的。大多数这些错误是示波器的设计/成本权衡所固有的，但正确的示波器设置可以减轻其中一些不准确性。例如，数字示波器中的采样点是由内部时基生成的。作为时钟源，时基有其自身的抖动特性，这会导致抖动测量误差。一般来说，时基抖动应保持在预期信号抖动的 25% 以下，以支持精度高于 3% 的抖动测量。 SiTime 建议使用可用的最佳示波器来执行抖动测量，因为高端设备往往具有更好的时基电路和更低的抖动。

使用以下分步过程手动设置仪器，以测量任何实时示波器的所有类型的抖动，无论制造商是谁。尽管可以从制造商处购买专门的抖动分析软件，以使用一键式或向导式方法自动配置仪器，但该软件并不总是能产生最佳配置。因此，应使用相同的过程（如下）来验证自动配置的设置。要配置仪器以获得最佳抖动精度，请按顺序执行以下步骤。

2. 步骤一：初始化仪器

打开示波器并恢复出厂默认设置。然后调整以下项目并保存测量配置以便将来调用。

• 将示波器模式设置为实时。
• 将输入终端设置为 50 欧姆。
• 禁用波形平均。
• 消除第一个采样点和触发事件之间的任何延迟。这减少了时基不稳定造成的误差。
• 配置测量设置以分析获取的所有数据，而不是数据的子集。
• 选择相对较大的记录长度（存储深度），以便可以测量大量抖动数据。优化说明如下。
• 选择最高采样率。优化说明如下。
• 选择可用的最高示波器带宽。优化说明如下。

3. 步骤2：优化垂直分辨率

高速示波器通常采用具有至少 8 位（256 级）量化的模数转换器 (ADC)。 ADC 报告的电压等于真实信号电压加上量化误差。这个误差本质上是一个舍入误差，因此为了最小化它，我们需要减小每个量化级别捕获的电压范围。我们通过降低垂直分辨率或每格伏特设置来做到这一点。目标是使用 ADC 的全部范围。对于大多数示波器来说，这意味着调整信号波形，直到它刚好填满显示器的垂直高度。然而，某些示波器被设计为稍微溢出显示器，以利用 ADC 中的额外位来数字化信号（请联系示波器制造商了解更多信息）。确保不要使 ADC 饱和，因为这会破坏波形的完整性。

图 2 显示了如何通过简单地将垂直分辨率从 (a) 100 mV/div 降低到 (b) 54 mV/div（例如 36 MHz 时钟信号）和 3 种类型的抖动来改善抖动测量：时间间隔误差 (TIE) )、周期抖动和周期间 (C2C) 抖动，以秒为单位报告峰峰值 (pp) 和均方根 (RMS)。作为参考，图 2(a) 显示了自动缩放信号，顺便说一句，它永远不应该用于测量抖动。

4. 第三步：优化采样率

理论上，采样率必须至少是信号中存在的最高模拟频率的两倍，以避免混叠。实际上，采集过程需要示波器以该频率的 2.5 到 3 倍进行采样。保守的经验法则是设置采样率，使每个边缘至少采样 5 次。在计算抖动时，越多越好，可以最大限度地减少插值误差。较高采样率的缺点是抖动测量数量较少，除非可以增加存储深度。

如果使用示波器提供的最高采样率无法对边沿进行至少 5 次采样，请尝试分别在上升信号的 20% 和下降信号的 80% 点之间分别获取至少 3 个采样点。例如，如果信号的上升时间（20% - 80%）为 1 ns，并且在此时间范围内需要 4 个采样点，则示波器的采样率必须优于 4 Gsps。如果示波器具有更高的采样率，请选择最高采样设置。最后，可以启用正弦插值来提供额外的数据点，但代价是处理时间。

5. 第 4 步：优化示波器带宽

数字示波器的输入先经过模拟放大器，然后再由模数转换器 (ADC) 进行数字化。该放大器产生的噪声与示波器的输入带宽成正比：带宽越宽，噪声越高。然而，过多地减小带宽会影响采样信号的上升和下降时间，从而给抖动测量带来显着的误差。

描述上升时间/下降时间与信号边沿带宽之间关系的一般方程为：

其中上升时间（或下降时间）是在信号边缘的 20% 和 80% 点之间测量的。测量 NRZ 数据的常用经验法则是将示波器（加上探头（如果使用）的带宽设置为至少 1.8 倍，更优选为 2.8 倍比特率。当测量具有模拟输出电压电平的时钟信号时，设置带宽以捕获至少 5 次谐波。具有数字电平的时钟信号在高得多的谐波下具有显着的频谱能量，建议带宽为基频的 20 到 30 倍。在某些示波器中，只有选择最大采样率才能设置带宽。在其他范围内，带宽可能根本不可选。

在短短几秒钟内设置最佳带宽的一种方法是测量最高带宽处的上升时间，然后降低带宽，直到上升时间从其最高带宽值变化超过 5% 之前。图 3 展示了最大模拟带宽为 12 GHz 的示波器的此类实验。 y 轴是标准化为 12 GHz 处的值的上升（和下降）时间，并以百分比表示。据观察，最佳带宽为 1 GHz。使用更高的带宽会提高仪器的抖动本底噪声；使用较低的带宽会减慢测量的边沿速度并增加 AM 到 PM 转换的抖动。图 2(c) 显示了如何通过将采集带宽从 12 GHz 降低至 1 GHz 来改善抖动值，从而降低仪器本底噪声。

6. 步骤5：优化阈值电压

阈值电压是示波器用来确定测量抖动位置的垂直电平。理想情况下，该电平设置为模拟最终应用中接收器电路使用的电平。阈值电压是当输入信号穿过接收器中的判定阈值电路时导致其改变状态的电压电平。例如，差分信号的阈值电压为 0 V。示波器使用该阈值两侧最接近的采样点在阈值电压处插入交叉点，然后使用该交点测量抖动。

将阈值电压设置为绝对电压，而不是电压摆幅的百分比。图 4 说明了原因。如果波形 (a) 是幅度调制的，(b) 未稳定在逻辑高（或逻辑低），或 (c) 包含振铃或其他伪影，则幅度摆幅的 50% 电平（图 4 中的红色标记）可以改变或偏离参考接收器（图 4 中的灰线）在系统中观察到的电平。

还需要设置滞后电压（有时指定为电压上限和下限）以防止检测到错误边沿，如果信号中的噪声导致每个边沿多次跨越阈值电压，则可能会发生这种情况。将滞后电压设置为略大于信号中预期的最大电压尖峰。可以通过示波器测量来估计电压。只需根据此过程中的所有步骤（包括上面和下面的所有步骤）设置示波器，然后关闭 DUT 的电源或断开 DUT 与示波器的连接。捕获波形，然后测量整个波形的最大峰峰值电压。向该值添加一点余量，并使用它来计算可以输入示波器的滞后值（例如，峰值或峰峰值，根据所使用的特定示波器而定）。通常，默认迟滞设置就足够了，除非信号噪声很大。

7. 第 6 步：选择要测量的抖动类型

设置要测量的抖动类型（TIE、周期抖动、C2C 抖动等）以及感兴趣的边沿（例如，仅上升沿、仅下降沿或所有边沿）。

8. 第 7 步：选择抖动滤波器

或者，还可以将软件滤波器应用于测量的抖动值，以模拟系统对通过系统的信号的响应。滤波器的目标是仅提取真实系统观察到的抖动。例如，TIE 始终按照高速串行标准的要求进行过滤。如果适用，根据行业标准或系统要求设置过滤器特性。

9.第8步：优化内存深度

请注意，示波器本身充当砖墙带通抖动滤波器。上限（低通）转角频率由示波器带宽设置。较低（高通）转角频率等于 1 除以采集时间。换句话说，下角频率等于采样率除以记录长度，其中记录长度是采集的样本数。

较低的转角频率值得特别注意，因为它会极大地影响测量的抖动值。假设我们获取无抖动信号，如图 5 底部的蓝色曲线所示。

接下来向该信号添加相位调制（即抖动）。如果示波器采集到的所有数据都显示在10个相对时间单位内（如图5底部所示），则完全适合该时间范围的最低相位调制频率ωn为1除以10个相对时间单位。时间。图 5 中的红色曲线显示了该噪声频率（顶部）及其对信号的影响（底部）。当噪声幅度为正时，相位调制信号（红色波形）领先于未调制信号（蓝色波形），当噪声幅度为负时，则滞后。

如果我们随后将采集窗口减半，仅采集最多 5 个相对时间单位的数据，那么我们将只能观察到采集信号上一半的相位调制效应。关键是，增加我们观察信号的时间长度使我们的测量能够观察到较低频率的噪声，这会增加我们在存在噪声时测量到的抖动。

继续之前的测量，图 2(d) 显示了当信号或测试环境中存在低频噪声时，增加记录长度（即存储深度）如何增加测量的 TIE 值。另请注意，周期和 C2C 抖动随存储深度保持恒定。这是因为根据定义，TIE 抖动能够检测低频噪声，而根据定义，周期和 C2C 抖动基本上可以滤除这种低频噪声。另一个考虑因素是，较长时间的数据采集会增加抖动数据的数量，这在统计上可能会导致更高的峰值（尽管在图 2 中观察到了这一点）。

对于 TIE，所需的最小存储深度是捕获与特定应用或标准相关的最低噪声频率所需的深度。例如，如果应用或标准要求在 10 kHz 到 20 MHz 之间分析 TIE 频率，并且示波器需要 40 GSps 来捕获每个边沿至少 5 个样本，则所需的最小存储深度为 40 GSps×10 kHz = 4 Mpts 数据。

对于周期或 C2C 抖动，从较小的存储深度开始，然后增加它，直到抖动值保持恒定。要增加一点余量，请使用略高于此值的最小内存深度。对于 Ncycle 抖动，所需的最小存储深度是捕获 N 个连续周期所需的存储深度。

无论测量哪种类型的抖动，使用所需的最小存储深度都不会产生足够大的总体来量化抖动。确切的数量取决于应用，但 1E+4 测量是时钟抖动的良好开端（测量数据信号中的抖动需要更多测量；请参阅高速数据标准文档）。要增加抖动测量的数量，请将存储深度增加到远高于所需的最小值，或者使测量统计数据能够在多次数据采集中累积，或者两者兼而有之。

10.相关资源

请参阅应用笔记AN10007 时钟抖动定义和测量方法，了解有关抖动类型、示波器设置指南以及如何测量不同类型抖动（包括周期抖动、周期间抖动和长期抖动）的程序的信息（即，N 周期抖动）。

请参阅AN10062 振荡器相位噪声测量指南，了解相位噪声的理论概述、推荐的相位噪声测量方法以及将被测信号正确连接到仪器、设置相位噪声分析仪以及选择实用相位噪声测量指南。适当的设置。

观看我们的相位噪声测量教程视频，了解如何使用相位噪声分析仪实现更准确的相位噪声测量。本教程包括有关如何设置分析仪、使用仪器功能和设置以及如何解释结果的提示。

有关在测量环境中添加到信号中的抖动水平接近或超过信号固有抖动时使用实时示波器测量抖动的更多信息，请参阅应用笔记 AN10074 从 RMS 抖动测量中消除示波器噪声。

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表 1：修订历史