示波器进行时钟抖动测试的精度 - 图文

示波器进行时钟抖动测试的精度分析

抖动是指数字信号中不期望的相位调制，同时也是衡量高速数字信号质量的最重要的指标。现在各种通信标准都对通信设备的抖动的指标有严格的要求，各种总线的一致性测试中也会对随机抖动、确定性抖动、时间间隔误差、总体抖动等有要求。

示波器是很强大的工具，目前很多windows平台的示波器都提供了一些抖动分析的软件，可以提供直方图、时间图、抖动频谱、RJ/DJ分解、浴盆曲线等一系列漂亮的测试报告。但是事实上，很多用户在使用示波器进行精确抖动测量时却不能得到很好的结果。比如明明要求被测时钟的抖动小于0.5ps RMS，实际测出来却是5ps RMS，数量级的错误使得很多用户开始怀疑测量结果和测量方法的可信程度。

这些错误结果的出现除了部分是由于对抖动概念理解不够从而设置错误外，还有很大一部分原因是不了解所使用的示波器的抖动测量能力，也就是您在使用的这台示波器究竟能测量到多小的抖动，以及和那些因素有关。

衡量示波器实际能测量到的最小的抖动的指标是抖动测量本底（Jitter measurement floor）。如果被测件的实际抖动小于示波器的抖动测量本底，这些抖动是不可能被测量到的。抖动测量本底这个指标和示波器的采样时钟抖动、底噪声以及被测信号都有关系，其表现为示波器对测量结果增加的随机抖动的大小。由于不同示波器厂商用不同的方法定义抖动测量本底，这就要求购买或使用示波器的工程师深

入理解不同指标定义的含义。

通常用来衡量示波器抖动测量能力的指标有2个：固有抖动（Intrinsic Jitter）和抖动测量本底（Jitter Measurement Floor）。这2个指标间有关系但又不完全一样，下面就来解释一下。

1、固有抖动

示波器的固有抖动，有时又叫采样时钟抖动，是指由于示波器内部采样时钟误差所造成的抖动。由于现在高带宽示波器的采样时钟频率都非常高，可高达80G/s或者更高，因此要保证每一个实际的采样点都落在其应该在的理想位置是个非常有挑战性的工作。示波器里通常使用专门的芯片或时基系统来保证送给其ADC芯片的采样时钟间精确的时间关系。

以Agilent其90000X示波器为例，其固有抖动是150fs。这里，固有抖动意味着如果不考虑其它因素情况下理论上示波器能够测量到的最小的抖动值。有些厂商把这项指标称为示波器的抖动测量本底，但事实上理论上的固有抖动指标本身并不能准确地告诉工程师这台示波器会给抖动测量带来多大误差。

2、抖动测量本底

事实上示波器都是有底噪声的（这是指幅度上的噪声），同时被测信号的斜率（指被测信号边沿单位时间内电压变化的速度）又不是无穷大的。因此示波器本身的垂直方向的幅度噪声叠加在被测信号上，

会引起信号边沿过阈值时刻的时间水平风向的时间变化。也就是说，示波器的底噪声会转换为抖动测量的不确定性。示波器底噪声越大，这个影响越大；同时信号斜率越缓，噪声转换为抖动的比例系数越大。

在很多实际的抖动测量里，示波器底噪声和信号斜率对测量结果的影响占主要因素。很多用户在用示波器进行抖动测量时发现增加信号的驱动能力抖动结果会有改善的原因。事实上信号里的抖动可能还是那么大，但是增加驱动能力后信号斜率变陡，示波器底噪声对抖动测量的影响变小从而使测试结果看起来更好。

示波器的抖动测量本底才是真正衡量实际情况下示波器给抖动测量带来的误差的指标，这个指标综合考虑了示波器的采样时钟抖动以及被测信号斜率和示波器底噪声的影响。

以Agilent 的90000X示波器为例，其抖动测量本底指标如下：

这里，抖动测量本底指标考虑了3个因素：示波器采样时钟抖动、示波器在当前量程下的底噪声和被测信号斜率。

有时示波器厂商只给出了示波器的固有抖动指标（比如200fs），这只是给出了示波器在最理想情况下（信号斜率非常陡）的采样时钟抖动，并不能真实衡量示波器真实的抖动测量能力。相反的，抖动测量本底指标考虑了多方面的影响，从而能够更真实衡量示波器的抖动测量能力。

前一篇对于示波器抖动测量的指标做过介绍后，我们来看几个抖动测量真实的例子。下面3张图是用一台25GHz带宽、80G/s采样率的9000X示波器分别对20GHz、5GHz、2GHz的正弦波信号进行时间间隔误差抖动测量的结果，输入的正弦波来源于Agilent的E8257D微波信号源，这是非常纯净的正弦信号源，其实际抖动小于50fs，因此我们可以认为示波器实际测量的到的抖动结果就是示波器本身的抖动测量本底，也就是示波器在这种情况下抖动测量能力的极限。

我们可以看到对20GHz的抖动测试结果是100fs左右，对5GHz的抖动测试结果是400fs左右，对2GHz的抖动测试结果是1ps左右。下图显示出了90000X示波器对不同频率正弦波信号的抖动测量本底的曲线。只有在信号频率很高、信号斜率很陡时，示波器的抖动测量本底才会最接近其固有抖动指标。

但即使这样，可能凭借其独一无二的内部两个独立测量通道间的交叉相关技术，它可以把比其内部参考时基的残余抖动还要小的抖动测试出来。使用这种交叉相关技术，E5052B达到了所有其它信号源分析仪根本无法达到的最高性能。

与示波器相比，它的抖动测量本底声更是只有示波器的100 到1000 分之一。E5052B广泛用于晶振的指标测试中，现在随着高速数字通信电路对时钟抖动要求的提高，E5052B在数字时钟的抖动测试中也开始崭露头角。下图是E5052B及其相噪测量界面。

谈到这里可能会有人有疑问了，既然E5052测得这么好，我还要示波器干什么？事实上，术业有专攻，E5052虽然测得准，但只能测时钟抖动，对于数据抖动的测量还需要用示波器。好在一般对于数据抖动的要求不象时钟抖动那么严格，而且高速数字信号的边沿都比较陡，所以针对这种应用好的实时示波器还是能给出不错的测量结果的。

总结一下：示波器的固有抖动指标反映的是示波器内部采样时钟抖动对测量的影响，是理想情况下示波器抖动测量的极限值。而抖动测量本底综合考虑了示波器采样时钟抖动、示波器当前量程下的底噪声和被测信号斜率等示波器的抖动测量能力，可以更好地描述真实情况下示波器的抖动测量能力。抖动测量本底和示波器当前量程下的底噪声和被测信号斜率都有关系，同样量程下示波器底噪声越低、被测信号斜率越陡，测量结果越好。如果需要更精确的时钟抖动测量，可以考虑选择信号源分析仪用相噪的方法进行测量。

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