8步教你进行实时示波器的抖动测量-设计应用

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实时示波器要实现的抖动测量必须进行正确的配置。虽然有专门的抖动分析软件，以使用一个按钮或向导类型的方法自动配置你的仪器，但软件并不总是产生配置。今天给大家介绍一种可以应用于任何品牌实时示波器的分步流程，手动设置你的仪器来测量所有类型的抖动。

1、初始化仪器

打开示波器电源并恢复出厂默认设置。然后调整以下测量项目，并保存配置以便将来可以方便调用。

·将示波器模式设置为"realtime"

·Inputtermination设置为50欧姆

·关闭波形平均

·删除个采样点和触发事件之间的所有延迟。减少了时基不稳定性带来的误差

·配置测量设置来分析所采集的所有数据，而不是数据子集

·选择一个相对较大的记录长度（内存深度），这样就可以测量大量的抖动数据，下面将对此进行优化

·选择采样速率，下面将对此进行优化

·选择有效的示波器带宽，下面将对此进行优化

2、优化垂直分辨率

高速示波器通常采用具有8位（256级）量化的模数转换器（ADC）。由ADC的电压等于真实信号电压加上量化误差。这个误差本质上是舍入误差，所以为了化它，我们只需要减少每个量化电平捕获的电压范围。我们通过降低垂直分辨率，或者降低每个分区的电压来设置。目标是使用ADC的全部范围。对于大多数示波器来说，这意味着调整信号的波形，直到它只填充显示屏的垂直高度。然而，一些示波器被设计为略微溢出显示屏（与你的仪器制造商联系以了解更多）。只要确保不饱和ADC，因为这将破坏波形的完整性。

图1显示了抖动测量的优化，通过对36MHz时钟信号简单地降低垂直分辨率从(a)100mV/div到(b)54mV/div来实现，以秒为单位的峰峰（PP）和均方根（RMS）进行的3种类型抖动：时间间隔误差（TIE）、周期抖动和相邻周期（C2C）抖动。作为参考，图1(a)显示了自动缩放信号，顺便说一下，它不应被用来测量抖动。

图1图解说明在36MHz时钟信号中进行抖动测量，使用（a）自动缩放设置，接着（b）优化垂直分辨率，（c）优化系统带宽，然后观察（d）增加记录长度的效果

3、优化采样率

理论上，采样率必须至少是信号中存在的模拟频率的两倍，以避免混叠。在实践中，采集过程需要示波器以此频率的2.5到3倍进行采样。一个保守的经验法则是设置采样率，以便每个边缘被采样至少5次。在计算抖动时，越多采样总是减少插值误差的良方。更高采样率的缺点是抖动测量的较小数量（除非存储器深度可以增加）。如果使用示波器提供的采样率不能对边缘至少采样5次，则可以以牺牲处理时间为代价，启用SINC插值来提供附加数据点。

4、优化示波器带宽

如果示波器带宽设置得太低，信号的边缘率将变慢，导致幅度噪声更有效地通过调幅（AM）到相位调制（PM）的变化而转换成计时噪声。如果示波器带宽设置得太高，额外的仪器热和散粒噪声将不必要地增加仪器的抖动噪声底部，这会引入测量误差。

测量NRZ数据的一个经验法则是将示波器的带宽（加上探针，如果使用的话）设置为比特率的至少1.8倍，更优选地是2.8倍。当测量具有模拟输出电压电平的时钟信号时，设置带宽以至少捕获第五谐波。具有数字电平的时钟信号在高次谐波中具有显著的频谱能量，建议带宽为基频的20倍。

通过测量在带宽上的上升时间，然后降低带宽，直到上升时间从其带宽值时变化超过5%，就可以在几秒钟内设置带宽。图2展示了具有12GHz模拟带宽的示波器的实验。y轴是归一化到12GHz的值并以百分比表示的上升（和下降）时间。观察到的带宽为1GHz。使用更高的带宽将提高仪器的抖动噪声底部；使用较低的带宽会使测量的边缘慢下来，并增加AM到PM转换带来的抖动。图1（c）显示了如何通过将采集带宽从12GHz减少到1GHz来改善抖动值，从而带来更低的仪器噪声基底。

图2显示了一个36MHz时钟（如图1所示）的上升和下降时间随示波器带宽偏离12GHz而变化。从带宽从12GHz到1GHz时，上升和下降时间是相当恒定的移动，然后到更低带宽则迅速增加。因此，该设备的示波器带宽为1GHz。

5、阈值电压优化

阈值电压是示波器用来确定在何处测量抖动的垂直电平。理想情况下，该电平被设置为模拟终端应用中接收机电路所使用的电平。阈值电压是当输入信号超越该电平值时，导致接收机中的判决阈值电路改变状态的电压电平。例如，差分信号的阈值电压为0V。示波器使用该阈值两侧的接近的采样点来在阈值电压处插入交叉点，然后使用其来测量抖动。

将阈值电压设置为电压，而不是作为电压摆幅的百分比。图3说明了原因。如果波形(a)是幅度调制，(b)不在逻辑高（或逻辑低）下降，或者(c)包含振铃效应或其他，振幅摆动的50%电平（图3中的红色标记）可以变化或偏离参考接收器电平（图3中的灰色线）。

图3为了的抖动测量，将阈值电压设置在电平（灰度线），而不是在摆动的50%（红色标记）

还需要设置滞后电压（有时指定为上、下电压阈值）以防止检测假边缘，如果信号中的噪声使阈值电压在每个边缘多次交叉，则可能发生假边缘。设置滞后电压略大于信号中预期的电压尖峰。你可以用示波器测量来估计这个电压。简单地按照本文中的所有步骤来设置示波器，然后关闭DUT的电源或者从示波器上断开DUT。捕获波形，然后测量整个波形上的峰峰电压。在这个值上加上一点余量，并用它来计算一个你可以设置到示波器的迟滞值。通常默认的滞后设置是足够的，除非信号非常嘈杂。

6、选择要测量的抖动类型

设置抖动的类型来测量（TIE，周期抖动，C2C抖动等），以及感兴趣的边缘（例如，仅上升沿，仅下降沿，或所有边缘）。

7、选择抖动滤波器

你可以选择将软件过滤器应用到测量的抖动值，以模拟系统对通过它的信号的响应。滤波器的目标是只提取实际系统观察到的抖动。例如，TIE总是按高速串行标准要求进行过滤。当适用时，根据行业标准或系统要求设置滤波器特性。

8、优化内存深度

需要注意的是，示波器本身充当矩形带通抖动滤波器。上（低通）角频率由示波器带宽设置。下（高通）角频率等于1除以采集时间。换言之，下角频率等于采样率除以记录长度，其中记录长度是所采集样本的数量。

较低的角频率值得特别注意，因为它可以极大地影响测量到的抖动值。假设我们获得一个无抖动信号，如图4底部的蓝色曲线所示。让我们把相位调制（即抖动）加到这个信号上。如果由示波器采集的所有数据在相对时间的10个单位内显示（如图4底部所示），那么在该时间帧中完全适合的相位调制频率?‰n为1除以10个单位相对时间。图4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）导致未调制信号（蓝色波形），当噪声幅度为负时，它滞后。

如果我们将采集窗口分成一半，只获取多5单位相对时间的数据，那么我们只观察到我们获得的信号的相位调制影响的一半。重点是，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的频率噪声，这可以增加当噪声存在时我们测量的抖动。

图4向无抖动信号（底部蓝色曲线）添加相位调制（顶部曲线）产生抖动信号（底部红色曲线）。为了观察抖动信号上的一个完整调制周期，示波器的存储深度需要足够大，在这个例子中需要能够捕获10个单位相对时间。如果波形是用5单位相对时间获得的，那么只观察到抖动信号中一半的调制。

继续较早的测量，图1(d)显示信号或测试环境中存在较低频率噪声时，增加记录长度（即存储器深度）是如何能增加测量的TIE值。注意，周期和C2C抖动随着存储器深度变化保持不变。这是因为TIE抖动的定义能够检测低频噪声，而周期和C2C抖动的定义基本上滤除了这种低频噪声。另一个考虑是，较长的数据采集增加了抖动数据的数量，这可以统计地导致更高的峰峰值（即使我们在图1的数据中没有观察到这一点）。

对于TIE，所需的内存深度是捕获你的应用感兴趣的噪声频率所需的深度。例如，如果你正在使用的标准需要在10kHz和20MHz之间分析TIE频率，并且你的示波器需要40GSps来捕获每个边缘至少5个样本，那么所需的存储器深度是40GSPs×10kHz＝4Mptsofdata。

对于周期或C2C抖动，从一个小的内存深度开始，然后增加它，直到你看到抖动值保持不变。若要增加一点余量，使用略高于此值的内存深度。对于N周期抖动，所需的存储器深度是捕获N个连续循环所需的深度。

不管所测量的抖动类型如何，使用所需的内存深度不会产生足够大的数量来量化抖动。