《如何通过实时示波器进行抖动测试和分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《如何通过实时示波器进行抖动测试和分析.doc（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、如何通过实时示波器进行抖动测试和分析摘要：随着计算机和通信系统总线速度的显著提高，特别是各种不同的釆用内嵌时 钟技术的高速串行总线日益普及，定时抖动已经成为影响其性能的基本因素。本文 针对当前各种不同的抖动测试工具和方法重点介绍了如何通过实时示波器进行抖动 测试和分析，并且探讨了示波器中影响抖动测试结果的几个关键因素。最后针对高 精度抖动测试提供了参考方法和测试实例°关键词：实时示波器，触发抖动，Trigger Jitter,增量时间精度，DTA,抖动本 底噪声，JNF,高速采集内存1-引言越來越多的烏速计算机和通信系统开始采用盛速申行总线在芯片间，育板间和系统设备间 传送讣速数据。
2、在数据传输过程屮，任何微小的岛速时仰和数据抖动都会对整个系统产生巨大 的影响，任这种悄况下，抖动已经成为设计高速数字系统成败的关键。最典空的应用是传统的 33M PC1并行总线止在被采用高速串行技术的PCI-Expss取代，它的址新标准支持的数据率已 经到5Gb/s, 个UI的宽度仅200ps，任何微小的抖动都会了致数据传输错误。从为询以种高 速串彳j总线和数据链路的定时余联规范中农明，在数字系统中严格地控制抖动是必须的。只有 全面有效的测试和分析抖动，其根本原因才能被隔离，从而针对引起系统抖动的原因來减少抖 动，捉高系统性能和稳定性。PCI-Express. FBD. InfiniBand.
3、 SerialATA和DVI零岛速总线 都对于时钟.数据抖动有明确要求。木文针对示波器进行的实时抖动测试方法.探讨了影响抖 动测试结果的关键因素。2. 典型的抖动测试方法为成功地设汁岛速数字系统，十仅需耍理解什么是抖动，计算抖幼的人小，还盂氏対不同 的抖动分量进和分解，分析造成抖动的原因,进而避免在高速系统中出现抖动造成的系 统故障。在了解抖动测试询明智选择合适的抖动测试和方法成为整个抖动测试I】作的第 一步.申前有几种抖动测试可供选择，误码仪(BERT)直接测试系统的误码率,但是价位昂 贵，功能单一，并不适合设计人员和调试人员：采用时间间隔分析仪测试抖动也在功能单一, 抖动分析能力不足的限制
4、.高性能数字示波器配备高速采集内心成为最流行的抖动测试工II。对于数字示波器而言，典型的抖动测试方法主要有2利U1) 采用数7储示波器的等效采样模式或直接使川采样示波器，通过口力图统讣测园累计定 时抖动。等效采样的缺点是无法消除示波器门身的触发抖动对测试结果的彩响，并H由于 它采用的融多次触发，多次采集，累计显示的匸作方式，对丁电路设il和调试而言受到较 女的限制，无法进行深层的抖动分析。另一个限制是该方法抖动测试参数有限，例如不能 测试周期间抖动。2)3)更为流行的方法足采用数了储示波器的实时捕获模式，单次触发，连续采集大戢数据.配合相应的抖动测试软件进行抖动测试。当通过实时采集模式时，由于
5、示波器I】作在单次 触发模式，连续实时采集所冇信号，所以它不受仪器多次触发带來的触发抖动影响。并11 它可以通过复杂的抖动分析和抖动分解得到毎个抖动分磧.帮助设计和测试人换分析抖 动产生的瓯因，it至通过抖动分解估算系统的误码率。例如.在美国国家信息标准委员会 (1NC1TS) F属的T11.2组织在有关抖动和信号完整性方法论(MJSQ)中.推荐泰克实时示波器配合TDSJIT3抖动分析软件进行抖动测试和分析。图1是TDSJIT3实时抖动测试结果。OJU TIEt20 0mibm PenodlOitj叶"LL Tlit14 WAll SMisbct Min/Wji« Mein
6、ZStdOew TIE RJOj EER到jsJFile Measurements Results Plot Log Utility Help|曲|小Mnu R«s«jIU>TIE RiPi&ERSUtw . ReyRuiVStapSing ItSelteiViewFte Edt verbui Hare/Aq Trt0 DhpUv Cur«y< MM<ua MuteUtAte Help图1TDSJIT3进行高速数据的抖动测试和抖动分解CoEponsb| Cuirtrt AcqAllRmdoc (RXS)XG2严(PUPl)403 20r0
7、22004402 20mPvty Cyclfl1312«tiD Q"皿 M QS”MU029 MteTotjl548 65pi；Ey« 6nJg 0 BER®31.42rrMi931 43mviTDSHT3 Jitter Analysts3. 抖动测试抖动可以描述为相邻脉冲边沿、it至非相邻脉冲边沿周期或相位的定时变化。这吐指标适 介检定长期和短期的时钟和数据稳定性。通过更加深入地分析抖动指标，利用抖动测试结果， 预测复杂系统的数期传输性能。周期抖动用來衡屋时钟或数据周期样点的边沿到边沿定时。例如通过测戢1000个时钟周 期上升沿之间的时间，可以对统讣的
8、周期取样，统讣数据会告诉您倍E的质虽:。标准偏羞竽价 于RMSMJ期抖动，最大周期减去垠小周期.得到峰到峰周期抖动。毎个不同周期测屋的粘度决 定着抖动测量的精度。和位抖动用来衡戢被测信号边沿相对于一个参考信号边沿的时间偏差，从而可以检测到信 号相位中的任何变化。这指标在许多方面不同于周期测量指标。第，它单独使用每个边沿, 而没有使用“period”或“cycle” 一类的说法。第二 它可以测量大的时间位移边沿相位可 以偏离儿百或儿F度,但仍可以以非常高的梢度进行测6(360度等于一个周期或循环时间)。测 帘相位误差常用的指标是时间间隔误差(TIE).测就结果用相对于度的秒來表示。TIE把信号边
9、 沿与参考边沿匹配起來，对各边沿Z星相加il算总和。任比较了人虽的边沿Z后.町以为分析 提供一个样点集合。与上面的周期测戢一样.标准偏羌变成RMSTIE.最大时间减最小时间得 到峰到峰值(peaklopeak)TIE等等。TIE测试梢度取决F构成样点集合的各个测虽:的将度。图2 显示的是对一个时钟信号的不同抖动测试参数实际测试理想信号边C2=P2-P1凤期抖动(Period Jitter)周期间抖动(Cycle-Cycle Jitter)时间间隔误差(TIE)图2典型的时钟信号抖动测试参数4测试精度任何设计人员选择示波器进行参数测呈就都会通过产品的指标r解其测试粘度，以保证足 够的容许误差和测
10、庭余鼠，抖动测试也不例外.抖动测试粘度受到许多因素的影响.主耍包括 示波器的定时稳定度、取样噪声、仪器幅度本底噪声和内摘误差。内插谋签是山在实际电压样点之间进行线性内插导致的谋思在测Sloops上升时间的店 号、示波器以20 GSa/s采样率在50%电压门限卜进行检测时.这一误差要小于0.3 ps RMSO在许 *情况下这一竝可以使用示波器屮的Sin(X)/Xil：弦内插及其它方法改善，例如充分利川示波 器的垂苴动态范用，使输入信号幅度达到示波器满刻度。在大多数情况下，这一原因导致的误 差会远小于其它谋差源，并11通过使用如Sin(X)/X内插，可以进一步减小这-误差。示波器采样系统中定时元件
11、的稳定性厲接影响着定时测戳粘度。如果时堪冇误差，那么堆 F该时基进行的测园会具有同等或更大的 m 示波器中的时基稳定性包括参考时钟倍频器、 计数器等相关电路的稳定性。另外两个误差源分别是ADC孔径不确定杵和戢化误差。这些误差可以表现为幅度噪声和定 时噪声,JI体取决丁取样数据使用的方式,很难区分该溟差的实蚯來源，因为模数转换的时间 不同。由卡采样头要求有限的时间选通样点(ADC孔径不确定性),任何取样都可能同时包括时 间谋差和幅度谋羞。由于ADC分辨率和相芙网濃差的綜合结果,取样时间和电压样点位置会 表现出有限的误差。最后，槁度噪声是定时测量梢度中另一个因素。在快速边沿中,幅度噪声的影响最小,
12、但 在边沿速率变慢时，幅度噪声会占据主导地位.这是因为在边沿速率相对于系统带宽变慢时. 幅度噪声会改变跨越门限的定时，这样幅度噪弹就会变成定旳测：,：谋Z增量时间精度(DTA)针对上述多种冈索的影响，怎样才能确保结果足粘确的呢？或者说如何评估示波器的时间 测试耕度呢？由于抖动测试是时间信息的提取，泰克垠早使用“增戢时间耕度"(Delta Time Accuracy)指明时间测童的柿匸 这指标在数字示波器中至关直耍，因为它包括前面提到的所 有影响时间梢度的多种效应导致的总体影响。-般增虽:时间粘度(DTA)指标为：DTA = ±0.3 x SI + 3.5 ppm x MI其
13、中S况取样时间间隔，单位为秒，例如2OGS/S采样率下，样点时间间隔为25ps. M/足测 量时间间隔，单位为秒。±0.3是示波器采集系统常系数。采用上面的公式來定义DTAJiW为几个不同冈索对粘度的影响不同。许先足时基桔度，一 个10.0MHz参考源的校准精度以及校准后是否漂移,都会形响长时间测量结果例如,在测量 -个时间为1.0 ms脉冲时，低丁皮秒级的影响(如内插谋为相对丁0.4 ppm校准偏签引起的谋总非 常小，I大I为1O ms X0.4ppm»得到误差高达400 ps。例如通过使用TDS6804B(8GHz带宽,2OGS/s采样率)示波器进行两个时钟测量(一个短
14、时钟 周期.一个长时钟周期)，可以査看主要定时误差的來源为测试I.OGHzA速时钟时，使用 TDS68O4B以20GS/S实时采样率进彳j采样。根据DTA公式可以得到卜训结果：DTA = ±0.3 x 50 ps + 3.5 ppm x ns = ±5ps这是在单次采集或实时采集中进行的任何一项时间测戢的峰峪值测戢误差.在大虽的统计 样本中,误差的标准僞差_般MO6XSI4-3.5 ppmXML在本例中,其约等于3.0 ps RMS(0.06 X 50ps + 35ppm X 1 ns)。当在测M1(X) kHz时钟时，根据DTA公式nJ以得到卜jfii结果：DTA = &
15、#177;0.3 x 50/?5 + 3.5 ppm x 1 Ous = ±50 ps测虽:谋签可能会高达50 psdi?值，RMS结果将受到类似的影响，I人为时卑谋签足确定的。任 这种情况下.我们看到在测量时间更长时,常数03所决定的短期抖动效应变得不如时基校准和 稳定性对长时间结果的形响明显.在泰克小 冲,采用一种独仃硬件技术保证更高的时间测 试耕度，称为实时内差模式，它作用在示波器采集前端.通过sinS内差算法在ADC的样点间插 入样点，并11可以调节插入的样点数口，最小样点间隔为500fso分辨率测量分辨率定义了可靠地检测到测量变化的能力。不要把分辨率9测戢粘:度、其至测量可
16、 巫父性混为一谈。在定时测虽:中，分辨率是辨别信号定时中微小变化的能力，而不管变化圧有 目的的,还是由噪声引起的。在实时示波器中,定时分辨率受到釆样率、内插梢度和基于软件 的数学运算库的限制。任使用40 GS/s的取样速率和S1N(X)/X内插时，可能会实现儿I飞秒的分 辨率。由于上面的参考实例中的分辨率基于数学运算库，因此实际分辨能力低于一飞秒(O.(X)Ol ps)。分辨率足指测联定时中微小变化的能力。但这可能并不一定反映真实情况。在测戢邮度小 的噪声或抖动时，必须考虑示波器系统的抖动本底噪声。仅通过分辨率对理解粘度或示波器整 体能力的实际极限并没有什么帮助。抖动本底噪声(JNF)抖动本底
17、噪声(Jitter Noise Floor)是抖动测量时仪器周有的噪声,定义为时间值,它是抖动 测试中的最关键拆标，因为JNF决定看可以检测到的抖动底限。客观的讲，幅度小丁 JNF的抖动 示波器是观察不到的。尽管某些厂商对能声称町以分辨小于JNF的抖动幅度.但这种能力儿乎 没有什么参数价值。检验JNF的方法之一是测就没有噪声的、完美定时的信号。尽管完美信号非常少见，但适 半良好的信号源是”在的，可以用來衣征抖动本底噪声。般用丁这-测试的常用仪器圧几仃 低相位噪声的高精度RF发生器。泰克示波器使用时间间隔误差(TIE)来测量JNF。TIE是最优方法，因为它测试出信号中的任 何扌 川和 血不管误差
18、具有高频特点还是低频特点.是单次事件误羌还是累积谋差.此外， 在实时示波器屮，TIE方法可以将计算得到的完美时钟作为参考时钟源。内存长度对抖动测试的影响影响JNF的另一个因索肚在测试结果中包括的抖动噪声的频段。所仃抖动都JI冇不同的频 率分轲 其通常从DC苴流到髙频部分。抖动测试的频率范用是由示波器的高速釆集内存的大小 决定，它足甲次采集时间固口的倒数(单次采集时间谢口 =岛速内仔长MtX采样间隔时间)。例 如泰克TDS6154C在40GSa/s时实现了64 M的岛速采集内仏 即一次触发能够以25ps的时间间 隔込 <*64M个样点,得到单 氏集时间为1.6ms, 此它能够测量最低到62
19、5 Hz的抖动因 此在示波器中测屋JNF时，还应指明该指标包括的频率范用。泰克示波器一般标称的是在最长 记录长度和高采样率下的JNF。当使用示波器进行抖动测试时，高速采集内存长度是示波器进行抖动测试的关键。在示波 器的就端放人器和采集电路后血跟随着髙速储电路，它心储ADC转换的采样点。岛速内心K 度不仅决定了一次抖动测试中样本数的多少.还决定了示波器能够测试的抖动频率范用。下表 显示的为20GSa/srt采样率下，不同内存长度分析抖动频率范阳的大小。内存长度256K1M2M8M16M32M采集时间12.5US50uslOOus400us800us1600us料动测试 频卑范围>50KHz
20、>20KHz>10KHz>25KHz>1.25KHz> 625Hz传统示波器设讼时采用将高速采集询端(多达80颗ADC)和高速内存在物理上用一颗SOC芯 片实现.山于冇太多功能在一个芯片内部实现.导致片内髙速内容量的限制(在40GS/S下小于 2M),只能测屋苴到20KHz以上的抖动.并L当需耍测试低频抖动时，无法对内“扩展升级。对 于大多数应用，测试和分析625Hz到20KHZ范围内的抖动信息非常垂耍.特别足对于时钟信号。 为弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用在芯片外部添加低速“储器弥补片内高速内 存的限制.但外部存储器不能在高采样率下丁作.一般只能提供2
21、GS/S,样点间隔50()ps> III于 绝人女数信勺边沿速度都在皮秒级，2GS/s无法在信号边沿采集足够样点，其至出现会出现混叠, 所以它无法提供有意义的抖动测试结果。TDS6154C示波器采用硅错(SiGe)半导体集成采集前端，并使用独立的高速存储器，这样就 不受内心长度的限制，并且它同时支持最大采样率和存储长度。冈为内存长度对JNF和实际抖动测试都冇至关重耍的影响，为了提供和其它示波器厂商的 该指标仃可比性，泰克还提供了其它悄况卜的JNF指标.即将TDS6154C示波器的储长度限制 为2M进行JNF测试，以便和苴它冇内存限制的示波器进行比较。在这一频率范用内.TDS6154C 的
22、典型JNF是420fs,该指标比其它类型示波器小一倍。5. JNF测试实例通过和示波器的DTA指标相结合.JNFH以帮助确定该示波器在时间域中进行有效粘:确测虽:的能力。图3所示为泰克TDS6154C示波器测虽:-个稳定信号源(如BERT或RF发生器)信号的 性能。测试使用相对较短的内存长度.为5ns, TIE测试结果为326fsRMSo这种测试方法对应 于其它示波器厂商提供的抖动测园本底噪声指标(JMF).它们的测试方法类似。山丁在JMF指标 卜示波器的时基设置只能测试到大约200 MHz以上(5ns的倒数)的抖动频率，无法全面反映该示 波器的抖动测试能力，所以泰克示波器提供JNF指标更乞观
23、的农征实际悄况下抖动测试能力。 JMF会丢失绝大多数的低频抖动信息，它和JNF指标在绝大多数实际比用坏境中不能耳换。le MK vertical *xtz/Aa| TrQ Dsplay Cucas reasueMatn App uumes Help buktk图3采集5ns稳定时钟波形得到的JNF测试结果(对应于其它示波器厂商提供的JMF指标)图4衣明了使用更长的内存记录2度，连续采集10us信号利到的更介理结果。在这种帖况下, TDS6154C测试的TIE只是略有提髙,为374fs。它的采朱显示了在更氏的采集时间I：的抖动本 底噪声，其屮包括左到人约l(X)kHz(10us的倒数)的低频噪声
24、。这可以更全血地查看信巧上超过 1()OK的噪声，但仍不能完全表示示波器的使用方式。为在40GS/S采样率下连续采集l()us信号时, 需耍400K的记录长度，这个记录氏度设置已经接近传统示波器的测试极限。Rle EdK Verouil Hoitz/Acq Trig Dkptar Often Meaiue Masks Matrt g uuiiues Help图4采集10us稳定时钟波形得到的JNF测试结果图5表明了在40GSa/s取样速率、4OMpts采集内存、连续采集1 ms时间后对稳定的时钟信号 进行的TIE测戢.这一时间比竞争对于示波器最长的内存长度要长20倍o 1 ms采集结果中包括从
25、 1 kHz直到示波器带宽的噪声來源.本例中的TDS6154C示波器带宽是15 GHz, 1 ms采集可以直 接金看从】5 GHzH到1 kHz的信号抖动和调制效应。通过图5町以看出TIE测试结果约为l.Ops RMS.但史暇要的是最人定时谋差的峰山竹仏 在1 小、采集中，卜值定冲课差指标小j ±7 ps,周期间课差约为±4ps峰值。如果考虑下目前仪器的 典粮使用方式采用基于PLL的TIE测戢，误差降低到±3ps峰值以卜在所示的40 M采样点、 1ms记录中降低到500 fs RMS以下。实际仪器的JNF小于显示的ffi, W为倍石源中也冇噪芦。通 过图5町以看到
26、TDS6154C在40 GS/s 40 Mpl记录长度I：拥白非常好的长期性能。Ele Edt vertical Hcriz/Acq Eg pspav iirsorfi Measure "aso Matn Ajp Utlioes Hels Buttorc图5采集1ms稳定时钟波形得到的1K到15G的所有抖动结果在半询的烏速总线标准中如FBD、PCI Express和DDR2. TDS示波器可以采集和处理长记 录长度,品示周期间相关性,检验参考时钟的训制特性，检验PLL和时钟恢复性能。6.结论向对半丽徐种时钟和数据的扌斗动测试需求，针对为丽的应用和耍求选择合适的i貝和测试 方法是第一步
27、。在进行抖动测试前，需要了解示波器対抖动测试粘友跖响的关键抬标和测试方 法，例如JNF, DTA等，以及不同测试参数对测试结果的影响，这是保证髙粘度抖动测试结果 的前提。抖动测试时不仅需耍对示波器整体性能进行评估，例如示波器的带宽、采样率，还需耍9 Z匹配的高采样率卜的采集内长度，这样才能测戢从低频段到仪器带宽的抖动，同时保持各 种相位和谐波关系，对被测信号的抖动有一个全面的分析。因为抖动是一种从DC到超高频的现象，半试图发现抖动产生的根源时，必需能够金看整个 抖动频谱，从不到赫兹的电源频率直到几百兆赫的相邻时钟和数据频率I：扰。泰克示波器不 仅提供提供了与带宽，采样率匹配的高速存储长度，还提供业内最高的抖动测试粘度。作者:张楷,泰克科技（中国）有限公司ZhangKai. Tektronix China