2020年02月24日 | 8步搞定实时示波器进行抖动测量

实时示波器必须进行正确的配置以实现精确的抖动测量。在这里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。虽然你可以向仪器制造商购买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最佳配置。因此，自动配置的设置也应使用相同的下述流程进行验证。要正确配置您的仪器，按顺序执行下列步骤：

一、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"real time"

Input termination设置为50欧姆

关闭波形平均

删除第一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

选择最高采样速率，下面将对此进行优化

选择有效的最高示波器带宽，下面将对此进行优化

二、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。这个误差本质上是舍入误差，所以为了最小化它，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案例，通过对36 MHz时钟信号简单地降低垂直分辨率从(a)100 mV/div到(b)54 mV/div来实现，以秒为单位的峰峰（PP）和均方根（RMS）进行报告的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。

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。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最高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。

四、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。

通过测量在最高带宽上的上升时间，然后降低带宽，直到上升时间从其最高带宽值时变化超过5%，就可以在几秒钟内设置最佳带宽。图2展示了具有12GHz最大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。观察到的最佳带宽为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12 GHz减少到1 GHz来改善抖动值，从而带来更低的仪器噪声基底。

五、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0 V。示波器使用该阈值两侧的最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。

将阈值电压设置为绝对电压，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）。

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最大电压尖峰。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最大峰峰电压。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。

六、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）。

七、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。

八、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最低相位调制频率ωn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，只获取最多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，所需的最小内存深度是捕获你的应用感兴趣的最低噪声频率所需的深度。例如，如果你正在使用的标准需要在10 kHz和20 MHz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，那么最小所需的存储器深度是40 GSPs×10 kHz＝4 Mpts of data。 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，使用略高于此值的最小内存深度。对于N周期抖动，所需的最小存储器深度是捕获N个连续循环所需的深度。

不管所测量的抖动类型如何，使用最小所需的内存深度不会产生足够大的数量来量化抖动。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（数据信号抖动测量需要更多的量；参考你的高速数据标准文档）。为了增加抖动测量的数量，增加比所需最小值高得多的存储器深度，或者使测量统计量在多个数据采集上累积，或者两者兼而有之。