基于数字示波器的高精度抖动测试

测试精度



图3：用TDS6154C示波器测量一个稳定信号源。

任何设计人员选择示波器进行参数测量前都会通过产品的指标了解其测试精度，以保证足够的容许误差和测量余量。抖动测试也不例外，例如泰克TDS6804B示波器指明了精度，规定了抖动测量能力的典型值。抖动测试精度受到许多因素的影响，主要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插误差。

内插误差是由在实际电压样点之间进行线性内插导致的误差。在测量100ps上升时间的信号、示波器以20GSa/s采样率在50%电压门限上进行检测时，这一误差要小于0.3ps RMS。在许多情况下这一误差可以使用示波器中的SIN(X)/X正弦内插及其它方法改善，例如充分利用示波器的垂直动态范围，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误差源，并且通过使用如Sin(X)/X或Sinc内插，可以进一步减小这一误差。

示波器采样系统中定时元件的稳定性直接影响着定时测量精度。如果时基有误差，那么基于该时基进行的测量会具有同等或更大的误差。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。当通过实时采集模式进行抖动测试时，由于示波器工作在单次触发模式，连续实时采集所有信号，所以它不受仪器多次触发带来的触发抖动影响。

另外两个误差源分别是ADC孔径不确定性和量化误差。这些误差可以表现为幅度噪声和定时噪声，具体取决于取样数据使用的方式。很难区分该误差的实际来源，因为模数转换的时间不同。由于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误差和幅度误差。由于ADC分辨率和相关量化误差的综合结果，取样时间和电压样点位置会表现出有限的误差。

最后，幅度噪声是定时测量精度中另一个因素。在快速边沿中，幅度噪声的影响最小，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，这样幅度噪声就会变成定时测量误差。

增量时间精度(DTA)

怎样才能确保结果是精确的呢？或者说如何评估示波器的时间测试精度呢？由于抖动测试是时间信息的提取，泰克最早使用“增量时间精度”(Delta Time Accuracy)指明时间测量的精度。这一指标在数字示波器中至关重要，因为它包括前面提到的影响时间精度的多种效应导致的总体影响。

一般增量时间精度(DTA)指标为：

(方程1)

其中SI是取样时间间隔，单位为秒，例如20GS/s采样率下，样点时间间隔为25ps。MI是测量时间间隔，单位为秒。±0.3是示波器采集系统常系数。

采用上面的公式来定义DTA是因为几个不同因素对精度的影响不同。首先是时基精度，一个10.0MHz参考源的校准精度以及校准后是否漂移，都会影响长时间测量结果。例如，在测量一个时间为1.0ms脉冲时，低于皮秒级的影响(如内插误差)相对于0.4ppm校准偏差引起的误差非常小，因为1.0ms×0.4ppm，得到误差达到400ps。



图4：采集10us稳定时钟波形得到的JNF测试结果。

通过使用TDS6804B(8GHz带宽，20GS/s采样率)进行两个时钟测量实例(一个短时钟周期、一个长时钟周期)，可以查看主要误差的来源。当测试1.0GHz高速时钟时，使用TDS6804B以20GS/s实时采样率进行采样。根据DTA公式可以得到下面结果：

(方程2)

这是在单次采集或实时采集中进行的任何一项时间测量的峰峰值测量误差。在大量的样本容量(大约1,000次测量值)中，误差的标准偏差一般为0.06×SI＋3.5 ppm×MI。在本例中，其约等于3.0 ps RMS(0.06×50ps＋3.5ppm×1ns)。

当在测量100kHz时钟时，根据DTA公式可以得到下面结果：

(方程3)

测量误差可能会高达50ps峰值，RMS结果将受到类似的影响，因为时基误差是确定的。在这种情况下，我们看到在测量时间更长时，常数0.3决定的短期效应变得不如时基校准和稳定性对长时间结果的影响明显。在泰克示波器中，采用一种独有硬件技术保证更高的时间测试精度，称为实时内差模式，它作用在示波器采集前端，通过sinx/x内差算法在ADC的样点间插入样点，并且可以调节插入的样点数目，最小样点间隔为500fs。

分辨率

测量分辨率定义了可靠地检测到测量变化的能力。不要把分辨率与测量精度、甚至测量可重复性混为一谈。在定时测量中，分辨率是辨别信号定时中微小变化的能力，而不管变化是有目的的，还是由噪声引起的。

在实时示波器中，定时分辨率受到取样速率、内插精度和基于软件的数学运算库的限制。在使用40GS/s的取样速率和SIN(X)/X内插时，可能会实现几十飞秒的分辨率。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(0.0001 ps)。

分辨率是指测量定时中微小变化的能力。但这可能并不一定反映真实情况。当测量变化小于仪器内部固有噪声时会发生什么情况呢？在测量幅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。只知道系统分辨率对理解精度或示波器整体能力的实际极限并没有什么帮助。