Осциллографы и джиттер

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру осциллографов на странице сайта, представленной в конце данного раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования.

Основная идея достаточно проста - измерить фронты тактового сигнала и посмотреть, все ли они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга или изменяются (дрожат) со временем.

Неравномерная тактовая частота, подаваемая на АЦП или ЦАП, будет создавать эффекты FM (частотной модуляции) и/или AM (амплитудной модуляции), а также повышать минимальный уровень шума. Последствия джиттера тактового сигнала зависят от его характера. Случайный джиттер может иметь менее заметные звуковые эффекты, чем джиттер, в котором преобладает определённая частота. Существует множество причин возникновения мешающих сигналов в линии синхронизации.

В данной статье приведён краткий обзор использования базового цифрового осциллографа DSO (полоса пропускания 200 МГц, 1 млрд отсчётов в секунду), чтобы определить, может ли он заменить измерительную установку стоимостью около 50 000 долларов, которая обычно используется для исследования проблем джиттера.

К счастью, ответ заключается в том, что в пределах характеристик большинства аудиосистем вполне реально получить достоверные результаты. На более высоких частотах джиттера (> 2 кГц) при измерении типичных битовых тактовых импульсов (от 3 до 24 МГц) минимальный уровень шума джиттера составляет около 20 пс среднеквадратического значения. Для более низких частот среднеквадратическое значение составляет около 200 пс из-за необходимости увеличения длины записи.

В техническом документе также представлена кривая слышимости джиттера, полученная на основе обзора литературы. Отмечается, что случайный широкополосный джиттер оценивается иначе, чем джиттер со спектральными составляющими.

Измерительное оборудование для определения джиттера значительно чувствительнее, чем критерии слышимости. Единых критериев измерения не существует, поскольку необходимо учитывать множество переменных. Некоторые инженеры считают признаком неудачной разработки электронной системы любые боковые полосы, связанные с джиттером, которые превышают минимальный уровень шума при дискретизации или воспроизведении чистых тонов.

Широкополосный случайный джиттер также повышает уровень шума, однако величина этого повышения зависит от сигнала, используемого для измерения. Поскольку в некоторых тестах применяется частота 11 кГц (обычно как часть тестов IMD со вторым тоном на расстоянии 1 кГц), вполне разумно использовать её для тестирования. Более высокая частота гораздо лучше демонстрирует влияние джиттера, чем тестовый сигнал 1 кГц.

В реальных условиях никакой аудиосигнал не будет содержать синусоиду частотой 11 кГц и уровнем 0 дБ. Именно поэтому подобный тест является более жёстким. Учитывая высокие характеристики современного оборудования, выявление его недостатков требует более агрессивного подхода к испытаниям.

В технической документации также справедливо отмечается: если для оборудования заявлен диапазон от 10 Гц до 50 кГц ±3 дБ, оно должно корректно работать в этих пределах без дополнительных ограничений.

Достаточно распространено мнение, что при динамическом диапазоне около 110 дБ никакие спектральные компоненты джиттера не должны превышать минимальный уровень шума. Аналогично, минимальный уровень шума должен соответствовать заявленным характеристикам не только по методике AES-17, но и при тестовом сигнале 11 кГц.

Без существенных затрат на повышение производительности систем с динамическим диапазоном свыше 120 дБ может быть сложно полностью исключить компоненты, связанные с джиттером.

Перевести это непосредственно в требования к джиттеру достаточно сложно. Однако существуют программные инструменты, позволяющие прогнозировать влияние определённой комбинации широкополосных и тональных составляющих джиттера. Одним из наиболее удобных ресурсов является DISTORT, разработанный Полом Кейном и представленный в 2019 году на форуме Audio Science Review.

На момент написания статьи программа находилась в бета-версии. Одним из открытых вопросов оставалось использование различных функций БПФ и корректность компенсации усиления обработки для некоторых режимов. Для корректного сравнения результатов рекомендуется использовать одинаковые оконные функции для всех измерений.

Также следует помнить, что некоторые оконные функции обладают высоким уровнем боковых лепестков. При исследовании влияния джиттера на уровень шума рекомендуется использовать окна с минимальной энергией боковых лепестков относительно ожидаемого уровня шума.

купить осциллограф в Украине