基于數(shù)字示波器的高精度抖動(dòng)測(cè)試

　　隨著計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)總線速度的顯著提高，特別是各種不同的采用內(nèi)嵌時(shí)鐘技術(shù)的高速串行總線日益普及，定時(shí)抖動(dòng)已經(jīng)成為影響其性能的基本因素。本文針對(duì)當(dāng)前各種不同的抖動(dòng)測(cè)試工具和方法重點(diǎn)介紹了如何選擇實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試和分析，并且探討了示波器中影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的幾個(gè)關(guān)鍵因素。最后針對(duì)高精度抖動(dòng)測(cè)試提供了參考方法和測(cè)試實(shí)例。

圖1：TDSJIT3進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的 抖動(dòng)測(cè)試和分解。

　　越來(lái)越多的高速計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)開始采用高速串行總線在芯片間，背板間和系統(tǒng)設(shè)備間傳送高速數(shù)據(jù)。在串行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，任何微小的高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，在這種情況下，抖動(dòng)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。最典型的應(yīng)用是傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，它的最新標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)率已經(jīng)到5Gb/s，一個(gè)UI的寬度才200ps，任何微小的抖動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。從當(dāng)前各種高速串行總線和數(shù)據(jù)鏈路的定時(shí)余量規(guī)范中表明，在整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中更加嚴(yán)格地控制抖動(dòng)是必須的。只有全面有效的測(cè)試和分析抖動(dòng)，其根本原因才能被隔離，從而針對(duì)引起系統(tǒng)抖動(dòng)的原因來(lái)減少抖動(dòng)，提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。像PCI-Express、FBD、InfiniBand、SerialATA和DVI等都對(duì)于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)有明確要求。本文針對(duì)示波器進(jìn)行的實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試方法，探討了影響抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵因素。

　　典型的抖動(dòng)測(cè)試方法

　　為成功地設(shè)計(jì)高速數(shù)字系統(tǒng)，不僅需要理解什么是抖動(dòng)，計(jì)算抖動(dòng)的大小，還需要對(duì)不同的抖動(dòng)分量進(jìn)行隔離和分解，分析造成抖動(dòng)的原因，進(jìn)而避免在高速系統(tǒng)中出現(xiàn)抖動(dòng)造成的系統(tǒng)故障。在了解抖動(dòng)測(cè)試前，明智選擇合適的抖動(dòng)測(cè)試工具和方法成為整個(gè)抖動(dòng)測(cè)試工作的第一步。目前有幾種抖動(dòng)測(cè)試工具可供選擇，誤碼儀(BERT)直接測(cè)試系統(tǒng)的誤碼率，但是價(jià)位昂貴，功能單一，不適合設(shè)計(jì)人員和調(diào)試人員；采用時(shí)間間隔分析儀測(cè)試抖動(dòng)也存在功能單一，抖動(dòng)分析能力不足的限制。高性能數(shù)字示波器成為當(dāng)前最流行的抖動(dòng)測(cè)試工具。

　　對(duì)于數(shù)字示波器而言，典型的抖動(dòng)測(cè)試方法主要有2種：

　　1) 采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的等效采樣模式或直接使用采樣示波器，通過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)測(cè)量定時(shí)抖動(dòng)。等效采樣的缺點(diǎn)是無(wú)法消除示波器自身的觸發(fā)抖動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并且由于它采用的是多次觸發(fā)、多次采集、累計(jì)顯示的工作方式，對(duì)于電路設(shè)計(jì)和調(diào)試而言受到較多的限制，無(wú)法進(jìn)行深層的抖動(dòng)分析。

圖2：典型的時(shí)鐘信號(hào) 抖動(dòng)測(cè)試參數(shù)。

　　2) 更為流行的方法是采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的實(shí)時(shí)捕獲模式，單次觸發(fā)，連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)，配合相應(yīng)的抖動(dòng)測(cè)試軟件進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試。對(duì)比于等效采樣方法它消除由于示波器自身的觸發(fā)抖動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響，并且能夠進(jìn)行復(fù)雜的抖動(dòng)分析和抖動(dòng)分解得到每一個(gè)抖動(dòng)分量，幫助設(shè)計(jì)和測(cè)試人員分析抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，甚至通過(guò)抖動(dòng)分解估算系統(tǒng)的誤碼率。例如，在美國(guó)國(guó)家信息標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(INCITS)下屬的T11.2組織在有關(guān)抖動(dòng)和信號(hào)完整性方法論(MJSQ)中，推薦泰克實(shí)時(shí)示波器配合TDSJIT3抖動(dòng)分析軟件進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試和分析。圖1是TDSJIT3實(shí)時(shí)抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

　　抖動(dòng)測(cè)試

　　抖動(dòng)可以描述為相鄰脈沖邊沿、甚至非相鄰脈沖邊沿周期或相位的定時(shí)變化。這些指標(biāo)適合檢定長(zhǎng)期和短期的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。通過(guò)更加深入地分析抖動(dòng)指標(biāo)，利用抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果，預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　周期抖動(dòng)用來(lái)衡量時(shí)鐘或數(shù)據(jù)周期樣點(diǎn)的邊沿到邊沿定時(shí)。例如，通過(guò)測(cè)量1,000個(gè)時(shí)鐘周期上升沿之間的時(shí)間，可以對(duì)統(tǒng)計(jì)的周期取樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)會(huì)告訴您信號(hào)的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)偏差變成RMS周期抖動(dòng)，最大周期減去最小周期，得到峰到峰周期抖動(dòng)。每個(gè)不同周期測(cè)量的精度決定著抖動(dòng)測(cè)量的精度。

　　相位抖動(dòng)用來(lái)衡量被測(cè)信號(hào)邊沿相對(duì)于一個(gè)參考信號(hào)邊沿的時(shí)間偏差，從而可以檢測(cè)到信號(hào)相位中的任何變化。這一指標(biāo)在許多方面不同于周期測(cè)量指標(biāo)。第一，它單獨(dú)使用每個(gè)邊沿，而沒(méi)有使用“period”或“cycle”一類的說(shuō)法。第二，它可以測(cè)量大的時(shí)間位移。邊沿相位可以偏離幾百或幾千度，但仍可以以非常高的精度進(jìn)行測(cè)量(360度等于一個(gè)周期或循環(huán)時(shí)間)。測(cè)量相位誤差常用的指標(biāo)是時(shí)間間隔誤差(TIE)，測(cè)量結(jié)果用相對(duì)于度的秒來(lái)表示。TIE把信號(hào)邊沿與參考邊沿匹配起來(lái)，對(duì)各邊沿之差相加計(jì)算總和。在比較了大量的邊沿之后，可以為分析提供一個(gè)樣點(diǎn)集合。與上面的周期測(cè)量一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差變成RMS TIE，最大時(shí)間減最小時(shí)間得到峰到峰值TIE等等。TIE測(cè)試精度取決于構(gòu)成樣點(diǎn)集合的各個(gè)測(cè)量的精度。圖2顯示的是對(duì)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的不同抖動(dòng)測(cè)試參數(shù)。

　　測(cè)試精度

圖3：用TDS6154C示波器 測(cè)量一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)源。

　　任何設(shè)計(jì)人員選擇示波器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量前都會(huì)通過(guò)產(chǎn)品的指標(biāo)了解其測(cè)試精度，以保證足夠的容許誤差和測(cè)量余量。抖動(dòng)測(cè)試也不例外，例如泰克TDS6804B示波器指明了精度，規(guī)定了抖動(dòng)測(cè)量能力的典型值。抖動(dòng)測(cè)試精度受到許多因素的影響，主要包括示波器的定時(shí)穩(wěn)定度、取樣噪聲、儀器幅度本底噪聲和內(nèi)插誤差。

　　內(nèi)插誤差是由在實(shí)際電壓樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性內(nèi)插導(dǎo)致的誤差。在測(cè)量100ps上升時(shí)間的信號(hào)、示波器以20GSa/s采樣率在50%電壓門限上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這一誤差要小于0.3ps RMS。在許多情況下這一誤差可以使用示波器中的SIN(X)/X正弦內(nèi)插及其它方法改善，例如充分利用示波器的垂直動(dòng)態(tài)范圍，使輸入信號(hào)幅度達(dá)到示波器滿刻度。在大多數(shù)情況下，這一原因?qū)е碌恼`差會(huì)遠(yuǎn)小于其它誤差源，并且通過(guò)使用如Sin(X)/X或Sinc內(nèi)插，可以進(jìn)一步減小這一誤差。

　　示波器采樣系統(tǒng)中定時(shí)元件的穩(wěn)定性直接影響著定時(shí)測(cè)量精度。如果時(shí)基有誤差，那么基于該時(shí)基進(jìn)行的測(cè)量會(huì)具有同等或更大的誤差。示波器中的時(shí)基穩(wěn)定性包括參考時(shí)鐘、倍頻器、計(jì)數(shù)器等相關(guān)電路的穩(wěn)定性。當(dāng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集模式進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試時(shí)，由于示波器工作在單次觸發(fā)模式，連續(xù)實(shí)時(shí)采集所有信號(hào)，所以它不受儀器多次觸發(fā)帶來(lái)的觸發(fā)抖動(dòng)影響。

　　另外兩個(gè)誤差源分別是ADC孔徑不確定性和量化誤差。這些誤差可以表現(xiàn)為幅度噪聲和定時(shí)噪聲，具體取決于取樣數(shù)據(jù)使用的方式。很難區(qū)分該誤差的實(shí)際來(lái)源，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間不同。由于采樣頭要求有限的時(shí)間選通樣點(diǎn)(ADC孔徑不確定性)，任何取樣都可能同時(shí)包括時(shí)間誤差和幅度誤差。由于ADC分辨率和相關(guān)量化誤差的綜合結(jié)果，取樣時(shí)間和電壓樣點(diǎn)位置會(huì)表現(xiàn)出有限的誤差。

　　最后，幅度噪聲是定時(shí)測(cè)量精度中另一個(gè)因素。在快速邊沿中，幅度噪聲的影響最小，但在邊沿速率變慢時(shí)，幅度噪聲會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。這是因?yàn)樵谶呇厮俾氏鄬?duì)于系統(tǒng)帶寬變慢時(shí)，幅度噪聲會(huì)改變跨越門限的定時(shí)，這樣幅度噪聲就會(huì)變成定時(shí)測(cè)量誤差。

　　增量時(shí)間精度(DTA)

　　怎樣才能確保結(jié)果是精確的呢？或者說(shuō)如何評(píng)估示波器的時(shí)間測(cè)試精度呢？由于抖動(dòng)測(cè)試是時(shí)間信息的提取，泰克最早使用“增量時(shí)間精度”(Delta Time Accuracy)指明時(shí)間測(cè)量的精度。這一指標(biāo)在數(shù)字示波器中至關(guān)重要，因?yàn)樗ㄇ懊嫣岬降挠绊憰r(shí)間精度的多種效應(yīng)導(dǎo)致的總體影響。

　　一般增量時(shí)間精度(DTA)指標(biāo)為：

(方程1)

　　其中SI是取樣時(shí)間間隔，單位為秒，例如20GS/s采樣率下，樣點(diǎn)時(shí)間間隔為25ps。MI是測(cè)量時(shí)間間隔，單位為秒?！?.3是示波器采集系統(tǒng)常系數(shù)。

　　采用上面的公式來(lái)定義DTA是因?yàn)閹讉€(gè)不同因素對(duì)精度的影響不同。首先是時(shí)基精度，一個(gè)10.0MHz參考源的校準(zhǔn)精度以及校準(zhǔn)后是否漂移，都會(huì)影響長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果。例如，在測(cè)量一個(gè)時(shí)間為1.0ms脈沖時(shí)，低于皮秒級(jí)的影響(如內(nèi)插誤差)相對(duì)于0.4ppm校準(zhǔn)偏差引起的誤差非常小，因?yàn)?.0ms×0.4ppm，得到誤差達(dá)到400ps。

圖4：采集10us穩(wěn)定時(shí)鐘波形 得到的JNF測(cè)試結(jié)果。

　　通過(guò)使用TDS6804B(8GHz帶寬，20GS/s采樣率)進(jìn)行兩個(gè)時(shí)鐘測(cè)量實(shí)例(一個(gè)短時(shí)鐘周期、一個(gè)長(zhǎng)時(shí)鐘周期)，可以查看主要誤差的來(lái)源。當(dāng)測(cè)試1.0GHz高速時(shí)鐘時(shí)，使用TDS6804B以20GS/s實(shí)時(shí)采樣率進(jìn)行采樣。根據(jù)DTA公式可以得到下面結(jié)果：

(方程2)

　　這是在單次采集或?qū)崟r(shí)采集中進(jìn)行的任何一項(xiàng)時(shí)間測(cè)量的峰峰值測(cè)量誤差。在大量的樣本容量(大約1,000次測(cè)量值)中，誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差一般為0.06×SI＋3.5 ppm×MI。在本例中，其約等于3.0 ps RMS(0.06×50ps＋3.5ppm×1ns)。

　　當(dāng)在測(cè)量100kHz時(shí)鐘時(shí)，根據(jù)DTA公式可以得到下面結(jié)果：

(方程3)

　　測(cè)量誤差可能會(huì)高達(dá)50ps峰值，RMS結(jié)果將受到類似的影響，因?yàn)闀r(shí)基誤差是確定的。在這種情況下，我們看到在測(cè)量時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，常數(shù)0.3決定的短期效應(yīng)變得不如時(shí)基校準(zhǔn)和穩(wěn)定性對(duì)長(zhǎng)時(shí)間結(jié)果的影響明顯。在泰克示波器中，采用一種獨(dú)有硬件技術(shù)保證更高的時(shí)間測(cè)試精度，稱為實(shí)時(shí)內(nèi)差模式，它作用在示波器采集前端，通過(guò)sinx/x內(nèi)差算法在ADC的樣點(diǎn)間插入樣點(diǎn)，并且可以調(diào)節(jié)插入的樣點(diǎn)數(shù)目，最小樣點(diǎn)間隔為500fs。

　　分辨率

　　測(cè)量分辨率定義了可靠地檢測(cè)到測(cè)量變化的能力。不要把分辨率與測(cè)量精度、甚至測(cè)量可重復(fù)性混為一談。在定時(shí)測(cè)量中，分辨率是辨別信號(hào)定時(shí)中微小變化的能力，而不管變化是有目的的，還是由噪聲引起的。

　　在實(shí)時(shí)示波器中，定時(shí)分辨率受到取樣速率、內(nèi)插精度和基于軟件的數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)的限制。在使用40GS/s的取樣速率和SIN(X)/X內(nèi)插時(shí)，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)幾十飛秒的分辨率。由于上面的參考實(shí)例中的分辨率基于數(shù)學(xué)運(yùn)算庫(kù)，因此實(shí)際分辨能力低于一飛秒(0.0001 ps)。

　　分辨率是指測(cè)量定時(shí)中微小變化的能力。但這可能并不一定反映真實(shí)情況。當(dāng)測(cè)量變化小于儀器內(nèi)部固有噪聲時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況呢？在測(cè)量幅度小的噪聲或抖動(dòng)時(shí)，必須考慮示波器系統(tǒng)的抖動(dòng)本底噪聲。只知道系統(tǒng)分辨率對(duì)理解精度或示波器整體能力的實(shí)際極限并沒(méi)有什么幫助。

　　抖動(dòng)本底噪聲(JNF)

　　抖動(dòng)本底噪聲(Jitter Noise Floor)是抖動(dòng)測(cè)量時(shí)儀器固有的噪聲。在示波器中JNF決定著可以檢測(cè)到的抖動(dòng)底限?？陀^的講，幅度小于JNF的抖動(dòng)示波器是觀察不到的。盡管某些廠商可能聲稱可以分辨小于JNF的抖動(dòng)幅度，但這種能力幾乎沒(méi)有什么參數(shù)價(jià)值。

　　檢驗(yàn)JNF的方法之一是測(cè)量沒(méi)有噪聲的、完美定時(shí)的信號(hào)。盡管完美信號(hào)非常少見，但適當(dāng)良好的信號(hào)源是存在的，可以用來(lái)表征抖動(dòng)本底噪聲。一般用于這一測(cè)試的常用儀器是具有低相位噪聲的高精度RF發(fā)生器。

圖5：采集1ms穩(wěn)定時(shí)鐘波形得到 的1K到15G的所有抖動(dòng)結(jié)果。

　　泰克示波器使用時(shí)間間隔誤差(TIE)來(lái)測(cè)量JNF。TIE是最優(yōu)方法，因?yàn)樗鼫y(cè)試出信號(hào)中的任何相位誤差，而不管誤差具有高頻特點(diǎn)還是低頻特點(diǎn)，是單次事件誤差還是累積誤差。此外，在實(shí)時(shí)示波器中，TIE方法可以將計(jì)算得到的完美時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘源。

　　內(nèi)存長(zhǎng)度對(duì)抖動(dòng)測(cè)試的影響

　　影響JNF的另一個(gè)因素是在測(cè)試結(jié)果中包括的抖動(dòng)噪聲的頻段。所有抖動(dòng)都具有不同的頻率分量，其通常從DC直流到高頻部分。因?yàn)槎秳?dòng)測(cè)試的頻率范圍是由示波器的高速采集內(nèi)存的大小決定的，它是單次采集時(shí)間窗口的倒數(shù)(單次采集時(shí)間窗口=高速內(nèi)存長(zhǎng)度×采樣間隔時(shí)間)。例如，泰克TDS6154C在40GSa/s時(shí)實(shí)現(xiàn)了64 M的高速采集內(nèi)存，即一次觸發(fā)能夠以25ps的時(shí)間間隔連續(xù)采集64M個(gè)樣點(diǎn)，得到單次采集時(shí)間為1.6ms，因此它能夠測(cè)量最低到625Hz的抖動(dòng)。在示波器中測(cè)量JNF時(shí)，還應(yīng)指明該指標(biāo)包括的頻率范圍。泰克示波器一般標(biāo)稱的是在最長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度和高采樣率下的JNF。

　　當(dāng)使用示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試時(shí)，高速采集內(nèi)存長(zhǎng)度是示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵指標(biāo)。在示波器的前端放大器和采集電路后面跟隨著高速存儲(chǔ)電路，它存儲(chǔ)ADC轉(zhuǎn)換的采樣點(diǎn)。高速內(nèi)存長(zhǎng)度不僅決定了一次抖動(dòng)測(cè)試中樣本數(shù)的多少，還決定了示波器能夠測(cè)試的抖動(dòng)頻率范圍。表1顯示了20GSa/s高采樣率下，不同內(nèi)存長(zhǎng)度分析抖動(dòng)頻率范圍的大小。

　　傳統(tǒng)示波器設(shè)計(jì)時(shí)采用將高速采集前端(多達(dá)80顆ADC)和高速內(nèi)存在物理上用一顆SoC芯片實(shí)現(xiàn)，由于有太多功能在一個(gè)芯片內(nèi)部，導(dǎo)致片內(nèi)高速內(nèi)存容量的限制(在40GS/s下一般小于2M)，只能測(cè)量直到20KHz以上的抖動(dòng)，并且當(dāng)需要測(cè)試低頻抖動(dòng)時(shí)，無(wú)法對(duì)內(nèi)存擴(kuò)展升級(jí)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，測(cè)試和分析625Hz到20KHz范圍內(nèi)的抖動(dòng)信息非常重要。為了彌補(bǔ)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的缺陷，這類示波器會(huì)采用外部的低速存儲(chǔ)器彌補(bǔ)片內(nèi)高速內(nèi)存，但外部存儲(chǔ)器不能在高采樣率下工作，一般只能提供2GS/s，無(wú)法提供有意義的抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

　　TDS6154C采用硅鍺(SiGe)半導(dǎo)體集成采集前端，并使用專用的高速存儲(chǔ)器。它同時(shí)支持最大的帶寬，采樣率和存儲(chǔ)長(zhǎng)度。例如，當(dāng)使用40GS/s實(shí)時(shí)高速采集時(shí)，512K內(nèi)存一次采集數(shù)據(jù)量?jī)H為12.5us，只能測(cè)試頻率范圍為80K以上的抖動(dòng)。在各種串行總線和時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試中都很難滿足測(cè)試要求。

　　因?yàn)閮?nèi)存長(zhǎng)度對(duì)JNF和實(shí)際抖動(dòng)測(cè)試都有至關(guān)重要的影響，為了提供和其它示波器廠商的該指標(biāo)有可比性，泰克還提供了其它情況下的JNF指標(biāo)。即將TDS6154C示波器的存儲(chǔ)長(zhǎng)度限制為2M進(jìn)行JNF測(cè)試，以便和其它有內(nèi)存限制的示波器進(jìn)行比較。在這一頻率范圍內(nèi)，TDS6154C的典型JNF是420fs，該指標(biāo)比其它類型示波器小一倍。

　　JNF測(cè)試實(shí)例

　　通過(guò)和示波器的DTA指標(biāo)相結(jié)合，JNF可以幫助確定該示波器在時(shí)間域中進(jìn)行有效精確測(cè)量的能力。圖3 所示為泰克TDS6154C示波器測(cè)量一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)源(如BERT或RF發(fā)生器)信號(hào)的性能。圖3測(cè)試使用的內(nèi)存長(zhǎng)度約為5ns，TIE測(cè)試結(jié)果為326fs RMS。這種測(cè)試方法對(duì)應(yīng)于其它示波器廠商提供的抖動(dòng)測(cè)量本底噪聲指標(biāo)(JMF)，它們的測(cè)試方法類似。由于在JMF指標(biāo)下示波器的時(shí)基設(shè)置只能測(cè)試到大約200 MHz(5ns的倒數(shù))的抖動(dòng)頻率。它無(wú)法全面反映該示波器的抖動(dòng)測(cè)試能力，所以泰克示波器提供JNF指標(biāo)來(lái)表征實(shí)際情況下抖動(dòng)測(cè)試能力。JMF和JNF指標(biāo)在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中不能互換。

表1：在20GSa/s高采樣率下 不同內(nèi)存長(zhǎng)度分析抖動(dòng)頻率 范圍的大小。

　　圖3采集5ns穩(wěn)定時(shí)鐘波形得到的JNF測(cè)試結(jié)果(對(duì)應(yīng)于其它示波器廠商提供的JMF指標(biāo))

　　圖4表明了使用更長(zhǎng)的內(nèi)存記錄長(zhǎng)度，連續(xù)采集10us信號(hào)得到的更合理結(jié)果。在這種情況下，TDS6154C 測(cè)試的TIE只是略有提高，為374fs。它的采集顯示了在更長(zhǎng)的采集時(shí)間上的抖動(dòng)本底噪聲，其中包括直到大約100kHz(10us的倒數(shù))的低頻噪聲。這可以更全面地查看信號(hào)上超過(guò)100K的噪聲，但仍不能完全表示示波器的使用方式。當(dāng)在40GS/s采樣率下連續(xù)采集10us信號(hào)時(shí)，需要400K的記錄長(zhǎng)度。這個(gè)記錄長(zhǎng)度設(shè)置已經(jīng)接近有些示波器的測(cè)試極限。

　　圖5表明了在40 GSa/s取樣速率、40 Mpts采集內(nèi)存、連續(xù)采集1 ms時(shí)間后對(duì)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行的TIE測(cè)量，這一時(shí)間比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手示波器最長(zhǎng)的內(nèi)存長(zhǎng)度要長(zhǎng)20倍。1ms采集結(jié)果中包括從1 kHz直到示波器帶寬的噪聲來(lái)源，本例中的TDS6154C示波器帶寬是15 GHz，1ms采集可以直接查看從15 GHz直到1 kHz的信號(hào)抖動(dòng)和調(diào)制效應(yīng)。

　　通過(guò)圖3可以看出TIE測(cè)試結(jié)果約為1.0ps RMS，但更重要的是最大定時(shí)誤差的峰到峰值。在1 ms采集中，峰值定時(shí)誤差指標(biāo)小于±7ps，周期間誤差約為±4ps峰值。如果考慮一下目前儀器的典型使用方式，并看一下基于PLL的TIE測(cè)量，誤差要降低到±3ps峰值以下，在所示的40M采樣點(diǎn)、1ms記錄中要降低到500fs RMS以下。實(shí)際儀器的JNF小于顯示的值，因?yàn)樾盘?hào)源中也有噪聲。

　　在當(dāng)前的高速總線標(biāo)準(zhǔn)中，如FBD、PCI Express和DDR2，示波器可以采集和處理長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度，顯示周期間相關(guān)性，檢驗(yàn)參考時(shí)鐘的調(diào)制特性，檢驗(yàn)PLL和時(shí)鐘恢復(fù)性能。通過(guò)圖3可以看到TDS6154C在40 GS/s 40Mpt記錄長(zhǎng)度上擁有非常好的長(zhǎng)期性能。

　　結(jié)論

　　面對(duì)當(dāng)前各種時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的抖動(dòng)測(cè)試需求，選擇合適的示波器和測(cè)試方法是第一步。在進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)試前，需要了解示波器對(duì)抖動(dòng)測(cè)試精度影響的關(guān)鍵指標(biāo)和測(cè)試方法，例如JNF、DTA等，以及不同測(cè)試參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，這是保證高精度抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果的前提。

　　抖動(dòng)測(cè)試時(shí)不僅需要對(duì)示波器整體性能進(jìn)行評(píng)估，例如示波器的帶寬，采樣率，還需要與之匹配的高采樣率下的采集內(nèi)存長(zhǎng)度，這樣才能測(cè)量從接近DC直流到儀器帶寬的抖動(dòng)，同時(shí)保持各種相位和諧波關(guān)系，對(duì)被測(cè)信號(hào)的抖動(dòng)有一個(gè)全面的分析。

　　抖動(dòng)是一種DC到超高頻的現(xiàn)象，當(dāng)試圖發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)產(chǎn)生的根源時(shí)，必需能夠查看整個(gè)抖動(dòng)頻譜，從不到千赫茲的電源頻率直到幾百兆赫的相鄰時(shí)鐘和數(shù)據(jù)頻率干擾。TDS6000B/C和TDS7000B系列示波器不僅提供為您提供了與帶寬，采樣率匹配的高速存儲(chǔ)長(zhǎng)度，還提供業(yè)內(nèi)最高的抖動(dòng)測(cè)試精度。