Порядок действий при измерениях джиттера осциллографом

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

AN10073 Как настроить осциллограф реального времени для измерения джиттера

Содержание

1. Введение

2. Шаг 1. Инициализируйте прибор.

3. Шаг 2. Оптимизируйте вертикальное разрешение.

4. Шаг 3. Оптимизируйте частоту дискретизации

5. Шаг 4. Оптимизируйте полосу пропускания осциллографа.

6. Шаг 5: Оптимизируйте пороговое напряжение

7. Шаг 6. Выберите тип джиттера для измерения.

8. Шаг 7. Выберите фильтр джиттера.

9. Шаг 8. Оптимизируйте глубину памяти

10. Сопутствующие ресурсы 

1. Введение

Одним из наиболее распространенных инструментов, используемых для измерения джиттера, является цифровой осциллограф (скоп) реального времени. Осциллографы реального времени должны быть правильно настроены для проведения точных измерений джиттера. В этих указаниях по применению представлены общие рекомендации по настройке осциллографа для достижения наилучшей точности измерения джиттера.

Цифровой осциллограф использует внутреннюю временную базу для выборки входных данных через регулярные промежутки времени. Частота дискретизации может варьироваться от 1 Gsps (гигавыборок в секунду) до 256 Gsps для устройств высокого класса. На рисунке 1 показано, как осциллограф производит выборку и отображает сигнал, поступающий на его входы. Стрелки внизу рисунка обозначают точки выборки, сплошная линия — фактический сигнал, а точки — значения выборки. Сигнал, отображаемый осциллографом (представленный пунктирной линией), представляет собой наиболее подходящую кривую по точкам выборки. 

Рисунок 1. Выборка сигнала с помощью цифрового осциллографа 

Читатель может заметить, что выборочные значения не всегда соответствуют реальному сигналу. Эти расхождения вызваны ошибками в объеме. Большинство этих ошибок связано с компромиссом конструкции и стоимости осциллографа, но правильная настройка осциллографа может смягчить некоторые из этих неточностей. Например, точки выборки в цифровом осциллографе генерируются с помощью внутренней временной базы. В качестве источника синхронизации временная развертка имеет свои собственные характеристики джиттера, которые вносят вклад в ошибку измерения джиттера. В общем, джиттер временной развертки должен поддерживаться на уровне ниже 25 % от ожидаемого джиттера сигнала, чтобы обеспечить измерение джиттера с точностью выше 3 %. SiTime рекомендует использовать лучший доступный осциллограф для измерения джиттера, поскольку устройства более высокого класса, как правило, имеют лучшие схемы временной развертки с меньшим джиттером.

Используйте следующую пошаговую процедуру, чтобы вручную настроить прибор для измерения джиттера всех типов для любого осциллографа реального времени, независимо от производителя. Хотя у производителя можно приобрести специализированное программное обеспечение для анализа джиттера для автоматической настройки прибора с помощью одной кнопки или с помощью мастера, оно не всегда обеспечивает оптимальную конфигурацию. Поэтому автоматически настроенные настройки следует проверять с помощью той же процедуры (ниже). Чтобы настроить прибор для обеспечения наилучшей точности джиттера, выполните следующие действия по порядку. 

2. Шаг 1: Инициализируйте инструмент

Включите осциллограф и восстановите заводские настройки по умолчанию. Затем настройте следующие параметры и сохраните конфигурацию измерений, чтобы ее можно было легко вызвать в будущем.

• Установите режим осциллографа в режиме реального времени.

• Установите входную нагрузку на 50 Ом.

• Отключить усреднение сигнала.

• Удалите любую задержку между первой точкой выборки и событием запуска. Это уменьшает ошибку из-за нестабильности временной развертки.

• Настройте параметры измерения для анализа всех полученных данных, а не их подмножества.

• Выберите относительно большую длину записи (глубину памяти), чтобы можно было измерить значительную часть данных о джиттере. Инструкция по оптимизации ниже.

• Выберите самую высокую частоту дискретизации. Инструкция по оптимизации ниже.

• Выберите максимальную доступную полосу пропускания осциллографа. Инструкция по оптимизации ниже. 

3. Шаг 2. Оптимизируйте вертикальное разрешение

В высокоскоростных осциллографах обычно используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с глубиной квантования не менее 8 бит (256 уровней). Напряжение, сообщаемое АЦП, равно истинному напряжению сигнала плюс ошибка квантования. Эта ошибка, по сути, представляет собой ошибку округления, поэтому, чтобы минимизировать ее, нам нужно уменьшить диапазон напряжений, захватываемый каждым уровнем квантования. Мы делаем это, уменьшая настройку разрешения по вертикали или вольт на деление. Цель состоит в том, чтобы использовать весь диапазон АЦП. Для большинства осциллографов это означает регулировку формы сигнала до тех пор, пока он не заполнит вертикальную высоту дисплея. Однако некоторые осциллографы имеют конструкцию, позволяющую слегка переполнять дисплей, чтобы использовать дополнительный бит АЦП для оцифровки сигнала (за более подробной информацией обращайтесь к производителю осциллографа).

ВАЖНО:

Не допускайте насыщения АЦП, поскольку это нарушит целостность сигнала!

На рисунке 2 показано, как улучшаются измерения джиттера за счет простого уменьшения разрешения по вертикали с (а) 100 мВ/дел до (б) 54 мВ/дел для примера тактового сигнала 36 МГц, а также трех типов джиттера: ошибка временного интервала (TIE ), периодическое дрожание и межцикловое (C2C) дрожание, выраженное в секундах от пика до пика (pp) и среднеквадратического значения (RMS). Для справки, на рисунке 2(а) показан сигнал с автоматическим масштабированием, который, кстати, никогда не следует использовать для измерения джиттера. 

Рисунок 2: Иллюстрация измерений джиттера в тактовом сигнале частотой 36 МГц с использованием (a) настроек автоматического масштабирования с последующей (b) оптимизацией вертикального разрешения, (c) оптимизации полосы пропускания системы, а затем наблюдения за эффектом (d) увеличения длина записи 

4. Шаг 3. Оптимизируйте частоту дискретизации

Теоретически, чтобы избежать наложения спектров, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше самой высокой аналоговой частоты, присутствующей в сигнале. На практике процесс сбора данных требует, чтобы осциллографы производили выборку на частоте, в 2,5–3 раза превышающей эту частоту. 

Консервативное эмпирическое правило состоит в том, чтобы установить частоту дискретизации так, чтобы каждое ребро опрашивалось не менее 5 раз. Больше всегда лучше, чтобы минимизировать ошибку интерполяции при вычислении джиттера. Обратной стороной более высоких частот дискретизации является меньшая совокупность измерений джиттера, если только нельзя увеличить глубину памяти.

Если фронт не может быть выбран по крайней мере 5 раз с использованием самой высокой частоты дискретизации, обеспечиваемой осциллографом, постарайтесь получить как минимум 3 точки выборки между точками 20% и 80% нарастающего и падающего сигнала соответственно. Например, если время нарастания сигнала (20–80 %) составляет 1 нс и в течение этого периода времени необходимо 4 точки выборки, то осциллограф должен иметь частоту дискретизации лучше 4 Гвыб./с. Если осциллограф имеет более высокую частоту выборки, выберите самую высокую настройку выборки. Наконец, можно включить интерполяцию sinc для получения дополнительных точек данных за счет времени обработки. 

5. Шаг 4. Оптимизируйте полосу пропускания осциллографа

Входные сигналы цифрового осциллографа проходят через аналоговый усилитель, прежде чем они оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Шум, создаваемый этим усилителем, пропорционален входной полосе пропускания осциллографа: чем шире полоса пропускания, тем выше шум. Однако слишком сильное уменьшение полосы пропускания повлияет на время нарастания и спада дискретизированного сигнала, внося тем самым значительные ошибки в измерение джиттера.

Общее уравнение, описывающее взаимосвязь между временем нарастания/спада и шириной полосы фронта сигнала: 

где время нарастания (или время спада) измеряется между точками 20% и 80% фронта сигнала. Общее практическое правило для измерения данных NRZ заключается в том, чтобы установить полосу пропускания осциллографа (плюс пробники, если они используются) как минимум в 1,8, а более предпочтительно в 2,8 раза больше скорости передачи данных. При измерении тактовых сигналов с уровнями аналогового выходного напряжения установите полосу пропускания так, чтобы улавливалась как минимум 5-я гармоника. Синхронизирующие сигналы с цифровыми уровнями имеют значительную спектральную энергию на гораздо более высоких гармониках, и рекомендуется полоса пропускания, в 20–30 раз превышающая основную частоту. В некоторых областях полосу пропускания можно установить только в том случае, если выбрана максимальная частота дискретизации. В других областях полосу пропускания можно вообще не выбирать.

Один из способов установить оптимальную полосу пропускания всего за несколько секунд — это измерить время нарастания при максимальной полосе пропускания, а затем снижать полосу пропускания до тех пор, пока время нарастания не изменится более чем на 5% от максимального значения полосы пропускания. На рисунке 3 показан такой эксперимент для осциллографа с максимальной аналоговой полосой пропускания 12 ГГц. По оси Y — время нарастания (и спада), нормализованное к значению на частоте 12 ГГц и выраженное в процентах. Оптимальная полоса пропускания составляет 1 ГГц. Использование более широкой полосы пропускания повысит уровень джиттер-шума прибора; использование более низкой полосы пропускания замедлит фронты измерения и увеличит джиттер при преобразовании AM в PM. На рисунке 2(c) показано, как значения джиттера улучшаются за счет уменьшения полосы пропускания сбора данных с 12 ГГц до 1 ГГц, что приводит к снижению собственного шума прибора. 

Рисунок 3. На этом графике показано, как время нарастания и спада тактового сигнала 36 МГц (показано на рисунке 2) изменяется при отклонении полосы пропускания осциллографа от 12 ГГц. Время нарастания и спада практически постоянное при переходе от полосы пропускания 12 ГГц к полосе 1 ГГц, а затем быстро увеличивается для более низкой полосы пропускания. Таким образом, оптимальная полоса пропускания осциллографа для этого устройства составляет 1 ГГц. 

6. Шаг 5: Оптимизируйте пороговое напряжение

Пороговое напряжение — это уровень вертикальной развертки, используемый осциллографом для определения места измерения джиттера. В идеале этот уровень устанавливается для имитации уровня, используемого схемой приемника в конечном приложении. Пороговое напряжение — это уровень напряжения, который заставляет схему порога принятия решения в приемнике изменять состояние, когда входной сигнал пересекает его. Например, пороговое напряжение для дифференциального сигнала равно 0 В. Осциллограф использует ближайшие точки выборки по обе стороны от этого порога для интерполяции точки пересечения порогового напряжения, которая затем используется для измерения джиттера.

Установите пороговое напряжение как абсолютное напряжение, а не как процент от размаха напряжения. Рисунок 4 иллюстрирует почему. Если сигнал (а) модулируется по амплитуде, (б) не устанавливается на высоком логическом уровне (или низком логическом уровне) или (в) содержит звон или другие артефакты, уровень 50% (красные маркеры на рисунке 4) колебания амплитуды может варьироваться или смещаться от уровня, который опорный приемник (серые линии на рисунке 4) будет наблюдать в системе. 

Рисунок 4. Для точных измерений джиттера установите пороговое напряжение на абсолютном уровне (серая линия), а не на уровне 50 % от колебания (красные маркеры). 

Напряжение гистерезиса (иногда обозначаемое как верхний и нижний пороговые значения напряжения) также необходимо установить, чтобы предотвратить обнаружение ложных фронтов, которые могут возникнуть, если шум в сигнале приводит к пересечению порогового напряжения несколько раз для каждого фронта. Установите напряжение гистерезиса немного больше, чем максимальный пик напряжения, ожидаемый в сигнале. Напряжение можно оценить с помощью измерения осциллографа. Просто настройте осциллограф в соответствии со всеми шагами этой процедуры (включая все шаги выше и ниже), затем либо отключите питание тестируемого устройства, либо отсоедините тестируемое устройство от осциллографа. Захватите форму сигнала, затем измерьте максимальное пиковое напряжение по всей форме сигнала. Добавьте небольшой запас к этому значению и используйте его для вычисления значения гистерезиса, которое можно ввести в осциллограф (например, либо пиковое значение, либо пиковое значение, в зависимости от конкретного используемого осциллографа). Обычно настройки гистерезиса по умолчанию достаточно, если только сигнал не очень зашумлен.  

7. Шаг 6. Выберите тип джиттера для измерения

Установите тип джиттера для измерения (TIE, джиттер периода, джиттер C2C и т. д.), а также интересующие фронты (например, только нарастающие фронты, только спадающие фронты или все фронты). 

                                                                    8. Шаг 7. Выберите фильтр джиттера

При желании к измеренным значениям джиттера также можно применить программные фильтры для моделирования реакции системы на проходящий через нее сигнал. Целью фильтра является выделение только того джиттера, который будет наблюдаться в реальной системе. Например, TIE всегда фильтруется в соответствии со стандартами высокоскоростной последовательной связи. Если применимо, установите характеристики фильтра в соответствии с отраслевым стандартом или системными требованиями. 

9. Шаг 8. Оптимизируйте глубину памяти

Обратите внимание, что сам осциллограф действует как полосовой фильтр джиттера. Верхняя (низкочастотная) угловая частота задается полосой пропускания осциллографа. Нижняя (высокочастотная) угловая частота равна 1, разделенной на время сбора данных. Другими словами, нижняя угловая частота равна частоте дискретизации, деленной на длину записи, где длина записи — это количество полученных выборок.

Нижняя угловая частота заслуживает особого внимания, поскольку она может существенно повлиять на измеренные значения джиттера. Предположим, мы получили сигнал без джиттера, как показано синей кривой внизу рисунка 5.

Затем добавьте к этому сигналу фазовую модуляцию (т. е. джиттер). Если все данные, полученные осциллографом, отображаются в пределах 10 единиц относительного времени (как показано внизу рисунка 5), то наименьшая частота фазовой модуляции ωn, которая может полностью уместиться в этот временной интервал, равна 1, деленной на 10 единиц относительного времени. время. Красные кривые на рисунке 5 показывают частоту шума (вверху) и ее влияние на сигнал (внизу). Когда амплитуда шума положительна, фазомодулированный сигнал (красная форма волны) опережает немодулированный сигнал (синяя форма волны), а когда она отрицательна, он отстает.

Если затем мы сократим окно сбора данных вдвое, собирая данные максимум за 5 единиц относительного времени, то мы увидим только половину эффекта фазовой модуляции на полученном сигнале. Дело в том, что увеличение продолжительности времени, в течение которого мы наблюдаем сигнал, позволяет нашим измерениям наблюдать низкочастотный шум, что может увеличить джиттер, который мы измеряем, когда там присутствует шум.

Рисунок 5. Добавление фазовой модуляции (верхняя кривая) к сигналу без джиттера (нижняя синяя кривая) создает сигнал с джиттером (нижняя красная кривая). Чтобы наблюдать один полный цикл модуляции джиттерного сигнала, объем памяти осциллографа должен быть достаточно большим, чтобы в этом примере уловить 10 единиц относительного времени. Если сигнал регистрируется за 5 единиц относительного времени, то в джиттерированном сигнале будет наблюдаться только половина модуляции. 

Продолжая предыдущие измерения, на рисунке 2(d) показано, как увеличение длины записи (т. е. глубины памяти) может увеличить измеренные значения TIE, когда в сигнальной или тестовой среде присутствует низкочастотный шум. Также обратите внимание, что период и джиттер C2C остаются постоянными в зависимости от глубины памяти. Это связано с тем, что джиттер TIE по определению способен обнаруживать низкочастотный шум, тогда как джиттер периода и C2C, по определению, по существу отфильтровывает этот низкочастотный шум. Еще одно соображение заключается в том, что более длительные сборы данных увеличивают количество данных о джиттере, что статистически может привести к более высоким пиковым значениям (хотя это и наблюдается на рисунке 2).

Для TIE минимально необходимая глубина памяти — это глубина, необходимая для захвата самой низкой частоты шума, относящейся к конкретному приложению или стандарту. Например, если приложение или стандарт требуют, чтобы частоты TIE анализировались в диапазоне от 10 кГц до 20 МГц, а осциллографу требуется 40 Гвыб/с для захвата не менее 5 выборок на фронт, то минимально необходимая глубина памяти составляет 40 Гс/с × 10 кГц = 4. Мп данных.

Для определения периода или джиттера C2C начните с небольшой глубины памяти, затем увеличивайте ее, пока значение джиттера не останется постоянным. Чтобы добавить небольшой запас, используйте минимальную глубину памяти, немного превышающую это значение. Для джиттера Ncycle минимально необходимая глубина памяти равна объему, необходимому для захвата N непрерывных циклов.

Независимо от типа измеряемого джиттера, использование минимально необходимой глубины памяти не позволит получить достаточно большую совокупность для количественной оценки джиттера. Точное количество зависит от приложения, но измерения 1E+4 — хорошее начало для определения джиттера тактовой частоты (для измерения джиттера в сигналах данных требуется гораздо больше; обратитесь к документации по стандарту высокоскоростной передачи данных). Чтобы увеличить количество измерений джиттера, увеличьте глубину памяти намного выше требуемого минимального значения или включите накопление статистики измерений за несколько сборов данных, или и то, и другое. 

10. Связанные с темой ресурсы

Обратитесь к примечаниям по применению AN10007 «Определения тактового джиттера и методы измерения» для получения информации о типах джиттера, рекомендациях по настройке осциллографа и процедурах измерения различных типов джиттера, включая джиттер периода, межцикловый джиттер и долговременный джиттер ( т. е. джиттер N-цикла).

Обратитесь к AN10062 «Руководство по измерению фазового шума для генераторов», где представлен теоретический обзор фазового шума, рекомендуемые методы измерения фазового шума и практические рекомендации по измерению фазового шума для правильного подключения тестируемого сигнала к прибору, настройки анализатора фазового шума и выбора соответствующие настройки.

Посмотрите соответствующее обучающее видео по измерению фазового шума, чтобы узнать, как добиться более точных измерений фазового шума с помощью анализатора фазового шума. В этом руководстве содержатся советы о том, как настроить анализатор, использовать функции и настройки прибора, а также как интерпретировать результаты.

Дополнительную информацию об измерении джиттера с помощью осциллографа реального времени, когда уровень джиттера, добавляемого к сигналу из среды измерения, приближается к собственному джиттеру сигнала или превышает его, см. в примечаниях по применению AN10074 «Удаление шума осциллографа из измерений среднеквадратического джиттера».