Порядок дій при вимірах джиттера осцилографом

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

AN10073 Як налаштувати осцилограф реального часу для вимірювання джиттера

Зміст

1. Введення

2. Крок 1. Ініціалізуйте прилад.

3. Крок 2. Оптимізуйте вертикальну роздільну здатність.

4. Крок 3. Оптимізуйте частоту дискретизації

5. Крок 4. Оптимізуйте смугу пропускання осцилографа.

6. Крок 5: Оптимізуйте граничну напругу

7. Крок 6. Виберіть тип джиттера для вимірювання.

8. Крок 7. Виберіть фільтр джиттера.

9. Крок 8. Оптимізуйте глибину пам'яті

10. Супутні ресурси

1. Введення

Одним з найпоширеніших інструментів, що використовуються для вимірювання джиттера, є цифровий осцилограф реального часу. Осцилографи реального часу мають бути правильно налаштовані для проведення точних вимірів джиттера. У цих вказівках щодо застосування представлені загальні рекомендації щодо налаштування осцилографа для досягнення найкращої точності вимірювання джиттера.

Цифровий осцилограф використовує внутрішню базу часу для вибірки вхідних даних через регулярні проміжки часу. Частота дискретизації може змінюватись від 1 Gsps (гігавибірок за секунду) до 256 Gsps для пристроїв високого класу. На малюнку 1 показано, як осцилограф робить вибірку та відображає сигнал, що надходить на його входи. Стрілки внизу малюнка позначають точки вибірки, суцільна лінія – фактичний сигнал, а точки – значення вибірки. Сигнал, що відображається осцилографом (представлений пунктирною лінією), є найбільш підходящою кривою по точках вибірки.

Рисунок 1. Вибір сигналу за допомогою цифрового осцилографа

Читач може помітити, що вибіркові значення який завжди відповідають реальному сигналу. Ці розбіжності викликані помилками обсягом. Більшість цих помилок пов'язані з компромісом конструкції та вартості осцилографа, але правильне налаштування осцилографа може пом'якшити деякі з цих неточностей. Наприклад, точки вибірки в цифровому осцилографі генеруються за допомогою внутрішньої бази часу. Як джерело синхронізації тимчасова розгортка має власні характеристики джиттера, які роблять внесок у помилку вимірювання джиттера. Загалом, джиттер тимчасової розгортки повинен підтримуватися на рівні нижче 25 % від очікуваного сигналу джиттера, щоб забезпечити вимірювання джиттера з точністю вище 3 %. SiTime рекомендує використовувати найкращий доступний осцилограф для вимірювання джиттера, оскільки пристрої вищого класу, як правило, мають кращі схеми тимчасової розгортки з меншим джиттером.

Використовуйте наступну покрокову процедуру, щоб вручну налаштувати прилад для вимірювання джиттера всіх типів для будь-якого осцилографа реального часу, незалежно від виробника. Хоча у виробника можна придбати спеціалізоване програмне забезпечення для аналізу джиттера для автоматичного налаштування приладу за допомогою однієї кнопки або майстра, воно не завжди забезпечує оптимальну конфігурацію. Тому автоматично налаштовані настройки слід перевіряти за допомогою тієї ж процедури (нижче). Щоб настроїти прилад для забезпечення найкращої точності джиттера, виконайте наведені нижче дії.

2. Крок 1: Ініціалізуйте інструмент

Увімкніть осцилограф і відновіть заводські налаштування за промовчанням. Потім налаштуйте наступні параметри та збережіть конфігурацію вимірювань, щоб її можна було легко викликати в майбутньому.

• Встановіть режим осцилографа в режимі реального часу.

• Встановіть навантаження на 50 Ом.

• Вимкнути усереднення сигналу.

• Видаліть будь-яку затримку між першою точкою вибірки та подією запуску. Це зменшує помилку через нестабільність тимчасової розгортки.

• Налаштуйте параметри вимірювання для аналізу всіх отриманих даних, а не їх підмножини.

• Виберіть відносно велику довжину запису (глибину пам'яті), щоб виміряти значну частину даних про джиттер. Інструкція з оптимізації нижче.

• Виберіть найвищу частоту дискретизації. Інструкція з оптимізації є нижче.

• Виберіть максимальну смугу пропускання осцилографа. Інструкція з оптимізації є нижче.

3. Крок 2. Оптимізуйте вертикальну роздільну здатність

У високошвидкісних осцилографах зазвичай використовують аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) з глибиною квантування щонайменше 8 біт (256 рівнів). Напруга, що повідомляється АЦП, дорівнює істинному напрузі сигналу плюс помилка квантування. Ця помилка, по суті, є помилкою округлення, тому, щоб мінімізувати її, нам потрібно зменшити діапазон напруг, що захоплюється кожним рівнем квантування. Ми робимо це, зменшуючи налаштування дозволу по вертикалі або вольт на поділ. Ціль полягає в тому, щоб використовувати весь діапазон АЦП. Для більшості осцилографів це означає регулювання форми сигналу доти, доки він не заповнить вертикальну висоту дисплея. Однак деякі осцилографи мають конструкцію, що дозволяє злегка переповнювати дисплей, щоб використовувати додатковий біт АЦП для оцифрування сигналу (докладніше зверніться до виробника осцилографа).

ВАЖЛИВО:

Не допускайте насичення АЦП, оскільки це порушить цілісність сигналу!

На рис. ), періодичне тремтіння та міжциклове (C2C) тремтіння, виражене в секундах від піку до піку (pp) та середньоквадратичного значення (RMS). Для довідки на малюнку 2(а) показаний сигнал з автоматичним масштабуванням, який, до речі, ніколи не слід використовувати для вимірювання джиттера.

Рисунок 2: Ілюстрація вимірювань джиттера в тактовому сигналі частотою 36 МГц з використанням (a) налаштувань автоматичного масштабування з подальшою (b) оптимізацією вертикальної роздільної здатності, (c) оптимізації смуги пропускання системи, а потім спостереження за ефектом (d) збільшення довжина запису

4. Крок 3. Оптимізуйте частоту дискретизації

Теоретично, щоб уникнути накладання спектрів, частота дискретизації повинна бути як мінімум удвічі вищою за найвищу аналогову частоту, яка є у сигналі. На практиці процес збору даних вимагає, щоб осцилографи проводили вибірку на частоті, що в 2,5-3 рази перевищує цю частоту.

Консервативне емпіричне правило у тому, щоб встановити частоту дискретизації те щоб кожне ребро опитувалося щонайменше 5 раз. Більше завжди краще мінімізувати помилку інтерполяції при обчисленні джиттера. Зворотною стороною вищих частот дискретизації є менша сукупність вимірювань джиттера, якщо не можна збільшити глибину пам'яті.

Якщо фронт не може бути обраний принаймні 5 разів з використанням найвищої частоти дискретизації, що забезпечується осцилографом, постарайтеся отримати як мінімум 3 точки вибірки між точками 20% і 80% сигналу, що наростає і падає відповідно. Наприклад, якщо час наростання сигналу (20–80 %) становить 1 нс і протягом цього періоду необхідно 4 точки вибірки, то осцилограф повинен мати частоту дискретизації краще 4 Гвиб./с. Якщо осцилограф має вищу частоту вибірки, виберіть найвище налаштування вибірки. Нарешті, можна увімкнути інтерполяцію sinc для отримання додаткових точок даних за рахунок часу обробки.

5. Крок 4. Оптимізуйте смугу пропускання осцилографа

Вхідні сигнали цифрового осцилографа проходять через аналоговий підсилювач, перш ніж вони оцифровуються аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Шум, створюваний цим підсилювачем, пропорційний вхідній смузі пропускання осцилографа: чим ширша смуга пропускання, тим вищий шум. Однак занадто сильне зменшення смуги пропускання вплине на час наростання та спаду дискретизованого сигналу, вносячи цим значні помилки у вимірювання джиттера.

Загальне рівняння, що описує взаємозв'язок між часом наростання/спаду та шириною смуги фронту сигналу:

де час наростання (або час спаду) вимірюється між точками 20% та 80% фронту сигналу. Загальне практичне правило для вимірювання даних NRZ полягає в тому, щоб встановити смугу пропускання осцилографа (плюс пробники, якщо вони використовуються) як мінімум в 1,8, а переважно в 2,8 рази більше швидкості передачі даних. При вимірі тактових сигналів з рівнями аналогової вихідної напруги встановіть смугу пропускання так, щоб уловлювалася як мінімум 5 гармоніка. Синхронізуючі сигнали з цифровими рівнями мають значну спектральну енергію на більш високих гармоніках, і рекомендується смуга пропускання, яка в 20–30 разів перевищує основну частоту. У деяких областях смугу пропускання можна встановити лише у випадку, якщо вибрано максимальну частоту дискретизації. В інших областях смугу пропускання можна взагалі не вибирати.

Один із способів встановити оптимальну смугу пропускання всього за кілька секунд - це виміряти час наростання при максимальній смузі пропускання, а потім знижувати смугу пропускання доти, доки час наростання не зміниться більш ніж на 5% максимального значення смуги пропускання. На малюнку 3 показаний такий експеримент для осцилографа з максимальною аналоговою смугою пропускання 12 ГГц. По осі Y - час наростання (і спаду), нормалізований до значення на частоті 12 ГГц і виражений у відсотках. Оптимальна смуга пропускання становить 1 ГГц. Використання ширшої смуги пропускання підвищить рівень джиттер-шуму приладу; використання нижчої смуги пропускання уповільнить фронти вимірювання і збільшить джиттер при перетворенні AM на PM. На малюнку 2(c) показано, як значення джиттера покращуються за рахунок зменшення смуги пропускання збору даних з 12 до 1 ГГц ГГц, що призводить до зниження власного шуму приладу.

Малюнок 3. На цьому графіку показано, як час наростання та спаду тактового сигналу 36 МГц (показано на малюнку 2) змінюється при відхиленні смуги пропускання осцилографа від 12 ГГц. Час наростання та спаду практично постійний при переході від смуги пропускання 12 ГГ

ц до смуги 1 ГГц, а потім швидко збільшується для нижчої смуги пропускання. Таким чином, оптимальна смуга пропускання осцилографа цього пристрою становить 1 ГГц.

6. Крок 5: Оптимізуйте граничну напругу

Порогова напруга – це рівень вертикальної розгортки, який використовується осцилографом для визначення місця вимірювання джиттера. В ідеалі цей рівень встановлюється для імітації рівня, використовуваного схемою приймача кінцевому додатку. Порогова напруга - це рівень напруги, який змушує схему порога прийняття рішення у приймачі змінювати стан, коли вхідний сигнал перетинає його. Наприклад, гранична напруга для диференціального сигналу дорівнює 0 В. Осцилограф використовує найближчі точки вибірки по обидва боки від цього порога для інтерполяції точки перетину граничної напруги, яка потім використовується для вимірювання джиттера.

Встановіть граничну напругу як абсолютну напругу, а не як відсоток від розмаху напруги. Малюнок 4 ілюструє чому. Якщо сигнал (а) модулюється по амплітуді, (б) не встановлюється на високому логічному рівні (або низькому логічному рівні) або (в) містить дзвін або інші артефакти, рівень 50% (червоні маркери на малюнку 4) коливання амплітуди може змінюватись або зміщуватися від рівня, який опорний приймач (сірі лінії малюнку 4) спостерігатиме у системі.

Рисунок 4. Для точного вимірювання джиттера встановіть граничну напругу на абсолютному рівні (сіра лінія), а не на рівні 50 % від коливання (червоні маркери).

Напруга гістерезису (іноді позначається як верхній і нижній порогові значення напруги) також необхідно встановити, щоб запобігти виявленню хибних фронтів, які можуть виникнути, якщо шум у сигналі призводить до перетину порогової напруги кілька разів для кожного фронту. Встановіть напругу гістерези трохи більше, ніж максимальний пік напруги, очікуваний у сигналі. Напругу можна оцінити за допомогою вимірювання осцилографа. Просто налаштуйте осцилограф відповідно до всіх кроків цієї процедури (включаючи всі кроки вище і нижче), потім або відключіть живлення пристрою, що тестується, або від'єднайте тестований пристрій від осцилографа. Захопіть форму сигналу, потім виміряйте максимальну напругу піку по всій формі сигналу. Додайте невеликий запас до цього значення і використовуйте його для обчислення значення гістерезису, яке можна ввести в осцилограф (наприклад, пікове значення, або пікове значення, залежно від конкретного осцилографа, що використовується). Зазвичай налаштування гістерези за умовчанням достатньо, якщо тільки сигнал не дуже зашумлений.

7. Крок 6. Виберіть тип джиттера для вимірювання

Встановіть тип джиттера для вимірювання (TIE, джиттер періоду, джиттер C2C і т. д.), а також фронти, що цікавлять (наприклад, тільки наростаючі фронти, тільки спадаючі фронти або всі фронти).

8. Крок 7. Виберіть фільтр джиттера

При бажанні до виміряних значень джиттера також можна застосувати програмні фільтри для моделювання реакції системи на сигнал, що проходить через неї. Метою фільтра є виділення лише того джиттера, який спостерігатиметься у реальній системі. Наприклад, TIE завжди фільтрується відповідно до стандартів високошвидкісного послідовного зв'язку. Якщо застосовно, встановіть характеристики фільтра відповідно до галузевого стандарту або системних вимог.

9. Крок 8. Оптимізуйте глибину пам'яті

Зверніть увагу, що сам осцилограф діє як смуговий фільтр джиттера. Верхня (низькочастотна) кутова частота визначається смугою пропускання осцилографа. Нижня (високочастотна) кутова частота дорівнює 1, розділеної на час збору даних. Іншими словами, нижня кутова частота дорівнює частоті дискретизації, поділеної на довжину запису, де довжина запису - кількість отриманих вибірок.

Нижня кутова частота заслуговує на особливу увагу, оскільки вона може суттєво вплинути на виміряні значення джиттера. Припустимо, ми отримали сигнал без джиттера, як показано блакитною кривою внизу малюнка 5.

Потім додайте до цього сигналу фазову модуляцію (тобто джиттер). Якщо всі дані, отримані осцилографом, відображаються в межах 10 одиниць відносного часу (як показано внизу малюнка 5), то найменша частота фазової модуляції n, яка може повністю уміститися в цей часовий інтервал, дорівнює 1, поділеної на 10 одиниць відносного часу. час. Червоні криві на малюнку 5 показують частоту шуму (вгорі) та її вплив на сигнал (внизу). Коли амплітуда шуму позитивна, фазомодулированный сигнал (червона форма хвилі) випереджає немодулированный сигнал (синя форма хвилі), і коли вона негативна, він відстає.

Якщо потім скоротимо вікно збору даних вдвічі, збираючи дані максимум за 5 одиниць відносного часу, то побачимо лише половину ефекту фазової модуляції на отриманому сигналі. Справа в тому, що збільшення тривалості часу, протягом якого ми спостерігаємо сигнал,

олить нашим вимірам спостерігати низькочастотний шум, що може збільшити джиттер, який ми вимірюємо, коли там є шум.

Рисунок 5. Додавання фазової модуляції (верхня крива) до сигналу без джиттера (нижня синя крива) створює сигнал із джиттером (нижня червона крива). Щоб спостерігати один повний цикл модуляції джиттерного сигналу, обсяг пам'яті осцилографа повинен бути досить великим, щоб у цьому прикладі вловити 10 одиниць відносного часу. Якщо сигнал реєструється за 5 одиниць відносного часу, то в сигналі джиттера буде спостерігатися тільки половина модуляції.

Продовжуючи попередні вимірювання, на малюнку 2(d) показано, як збільшення довжини запису (тобто глибини пам'яті) може збільшити виміряні значення TIE, коли в сигнальному чи тестовому середовищі є низькочастотний шум. Також зверніть увагу, що період та джиттер C2C залишаються постійними залежно від глибини пам'яті. Це з тим, що джиттер TIE за визначенням здатний виявляти низькочастотний шум, тоді як джиттер періоду і C2C, за визначенням, по суті відфільтровує цей низькочастотний шум. Ще одне міркування полягає в тому, що більш тривалі збори даних збільшують кількість даних про джиттер, що статистично може призвести до вищих пікових значень (хоча це і спостерігається на малюнку 2).

Для TIE мінімально необхідна глибина пам'яті — це глибина, необхідна захоплення найнижчої частоти шуму, що стосується конкретному додатку чи стандарту. Наприклад, якщо додаток або стандарт вимагають, щоб частоти TIE аналізувалися в діапазоні від 10 кГц до 20 МГц, а осцилографу потрібно 40 Гвиб/с для захоплення не менше 5 вибірок на фронт, мінімально необхідна глибина пам'яті становить 40 Гс/с × 10 кГц = 4. Мп даних.

Для визначення періоду або джиттера C2C почніть з невеликої глибини пам'яті, потім збільшуйте її, поки значення джиттера не залишиться незмінним. Щоб додати невеликий запас, використовуйте мінімальну глибину пам'яті, що трохи перевищує це значення. Для джиттера Ncycle мінімально необхідна глибина пам'яті дорівнює об'єму, необхідному захоплення N безперервних циклів.

Незалежно від типу вимірюваного джиттера використання мінімально необхідної глибини пам'яті не дозволить отримати досить велику сукупність для кількісної оцінки джиттера. Точна кількість залежить від програми, але вимірювання 1E+4 — гарний початок для визначення джиттера тактової частоти (для вимірювання джиттера в сигналах даних потрібно набагато більше; зверніться до документації стандарту високошвидкісної передачі даних). Щоб збільшити кількість вимірювань джиттера, збільште глибину пам'яті набагато вище за потрібне мінімальне значення або увімкніть накопичення статистики вимірювань за кілька зборів даних, або те й інше.

10. Пов'язані з темою ресурси

Зверніться до приміток щодо застосування AN10007 «Визначення тактового джиттера та методи вимірювання» для отримання інформації про типи джиттера, рекомендації щодо налаштування осцилографа та процедури вимірювання різних типів джиттера, включаючи джиттер періоду, міжцикловий джиттер та довготривалий джиттер. ).

Зверніться до AN10062 «Посібник із вимірювання фазового шуму для генераторів», де представлений теоретичний огляд фазового шуму, рекомендовані методи вимірювання фазового шуму та практичні рекомендації щодо вимірювання фазового шуму для правильного підключення тестованого сигналу до приладу, налаштування аналізатора фазового шуму та вибору відповідності.

Перегляньте відповідне навчальне відео з вимірювання фазового шуму, щоб дізнатися, як досягти більш точних вимірювань фазового шуму за допомогою аналізатора фазового шуму. У цьому посібнику містяться поради про те, як налаштувати аналізатор, використовувати функції та налаштування приладу, а також як інтерпретувати результати.

Додаткову інформацію про вимірювання джиттера за допомогою осцилографа реального часу, коли рівень джиттера, що додається до сигналу з середовища вимірювання, наближається до власного джиттера сигналу або перевищує його, див.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy