基于數字示波器的高精度抖動測試方法
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測試精度
任何設計人員選擇示波器進行參數測量前都會通過產品的指標了解其測試精度，以保證足夠的容許誤差和測量余量。抖動測試也不例外，例如泰克TDS6804B 示波器指明了精度，規定了抖動測量能力的典型值。抖動測試精度受到許多因素的影響，主要包括示波器的定時穩定度、取樣噪聲、儀器幅度本底噪聲和內插誤差。
內插誤差是由在實際電壓樣點之間進行線性內插導致的誤差。在測量100ps上升時間的信號、示波器以20GSa/s采樣率在50%電壓門限上進行檢測時，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正弦內插及其它方法改善，例如充分利用示波器的垂直動態范圍，使輸入信號幅度達到示波器滿刻度。在大多數情況下，這一原因導致的誤差會遠小于其它誤差源，并且通過使用如Sin(X)/X或Sinc內插，可以進一步減小這一誤差。
示波器采樣系統中定時元件的穩定性直接影響著定時測量精度。如果時基有誤差，那么基于該時基進行的測量會具有同等或更大的誤差。示波器中的時基穩定性包括參考時鐘、倍頻器、計數器等相關電路的穩定性。當通過實時采集模式進行抖動測試時，由于示波器工作在單次觸發模式，連續實時采集所有信號，所以它不受儀器多次觸發帶來的觸發抖動影響。
另外兩個誤差源分別是ADC孔徑不確定性和量化誤差。這些誤差可以表現為幅度噪聲和定時噪聲，具體取決于取樣數據使用的方式。很難區分該誤差的實際來源，因為模數轉換的時間不同。由于采樣頭要求有限的時間選通樣點(ADC孔徑不確定性)，任何取樣都可能同時包括時間誤差和幅度誤差。由于ADC分辨率和相關量化誤差的綜合結果，取樣時間和電壓樣點位置會表現出有限的誤差。
最后，幅度噪聲是定時測量精度中另一個因素。在快速邊沿中，幅度噪聲的影響最小，但在邊沿速率變慢時，幅度噪聲會占據主導地位。這是因為在邊沿速率相對于系統帶寬變慢時，幅度噪聲會改變跨越門限的定時，這樣幅度噪聲就會變成定時測量誤差。
增量時間精度(DTA)
怎樣才能確保結果是精確的呢？或者說如何評估示波器的時間測試精度呢？由于抖動測試是時間信息的提取，泰克最早使用“增量時間精度”(Delta Time Accuracy)指明時間測量的精度。這一指標在數字示波器中至關重要，因為它包括前面提到的影響時間精度的多種效應導致的總體影響。
一般增量時間精度(DTA)指標為：
DTA = ±0.3 × SI + 3.5×ppm MI 方程1
其中SI是取樣時間間隔，單位為秒，例如20GS/s采樣率下，樣點時間間隔為25ps。MI是測量時間間隔，單位為秒。±0.3是示波器采集系統常系數。
采用上面的公式來定義DTA是因為幾個不同因素對精度的影響不同。首先是時基精度，一個10.0MHz參考源的校準精度以及校準后是否漂移，都會影響長時間測量結果。例如，在測量一個時間為1.0ms脈沖時，低于皮秒級的影響(如內插誤差)相對于0.4ppm校準偏差引起的誤差非常小，因為 1.0ms×0.4ppm，得到誤差達到400ps。
通過使用TDS6804B(8GHz帶寬，20GS/s采樣率)進行兩個時鐘測量實例(一個短時鐘周期、一個長時鐘周期)，可以查看主要誤差的來源。當測試1.0GHz高速時鐘時，使用TDS6804B以20GS/s實時采樣率進行采樣。根據DTA公式可以得到下面結果：
DTA=±0.3x50 ps+3.5ppm×1ns = ±15ps 方程2
這是在單次采集或實時采集中進行的任何一項時間測量的峰峰值測量誤差。在大量的樣本容量(大約1,000次測量值)中，誤差的標準偏差一般為 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)。
當在測量100kHz時鐘時，根據DTA公式可以得到下面結果：p>
DTA=±0.3×50 ps+3.5 ppm×10us= ±50 ps 方程3
測量誤差可能會高達50ps峰值，RMS結果將受到類似的影響，因為時基誤差是確定的。在這種情況下，我們看到在測量時間更長時，常數0.3決定的短期效應變得不如時基校準和穩定性對長時間結果的影響明顯。在泰克示波器中，采用一種獨有硬件技術保證更高的時間測試精度，稱為實時內差模式，它作用在示波器采集前端，通過sinx/x內差算法在ADC的樣點間插入樣點，并且可以調節插入的樣點數目，最小樣點間隔為500fs。
分辨率
測量分辨率定義了可靠地檢測到測量變化的能力。不要把分辨率與測量精度、甚至測量可重復性混為一談。在定時測量中，分辨率是辨別信號定時中微小變化的能力，而不管變化是有目的的，還是由噪聲引起的。
在實時示波器中，定時分辨率受到取樣速率、內插精度和基于軟件的數學運算庫的限制。在使用40GS/s的取樣速率和SIN(X)/X內插時，可能會實現幾十飛秒的分辨率。由于上面的參考實例中的分辨率基于數學運算庫，因此實際分辨能力低于一飛秒(0.0001 ps)。
分辨率是指測量定時中微小變化的能力。但這可能并不一定反映真實情況。當測量變化小于儀器內部固有噪聲時會發生什么情況呢？在測量幅度小的噪聲或抖動時，必須考慮示波器系統的抖動本底噪聲。只知道系統分辨率對理解精度或示波器整體能力的實際極限并沒有什么幫助。
抖動本底噪聲(JNF)
抖動本底噪聲(Jitter Noise Floor)是抖動測量時儀器固有的噪聲。在示波器中JNF決定著可以檢測到的抖動底限。客觀的講，幅度小于JNF的抖動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的抖動幅度，但這種能力幾乎沒有什么參數價值。
檢驗JNF的方法之一是測量沒有噪聲的、完美定時的信號。盡管完美信號非常少見，但適當良好的信號源是存在的，可以用來表征抖動本底噪聲。一般用于這一測試的常用儀器是具有低相位噪聲的高精度RF發生器。
泰克示波器使用時間間隔誤差(TIE)來測量JNF。TIE是最優方法，因為它測試出信號中的任何相位誤差，而不管誤差具有高頻特點還是低頻特點，是單次事件誤差還是累積誤差。此外，在實時示波器中，TIE方法可以將計算得到的完美時鐘作為參考時鐘源。
內存長度對抖動測試的影響
影響JNF的另一個因素是在測試結果中包括的抖動噪聲的頻段。所有抖動都具有不同的頻率分量，其通常從DC直流到高頻部分。因為抖動測試的頻率范圍是由示波器的高速采集內存的大小決定的，它是單次采集時間窗口的倒數(單次采集時間窗口=高速內存長度×采樣間隔時間)。例如，泰克TDS6154C在 40GSa/s時實現了64 M的高速采集內存，即一次觸發能夠以25ps的時間間隔連續采集64M個樣點，得到單次采集時間為1.6ms，因此它能夠測量最低到625Hz的抖動。在示波器中測量JNF時，還應指明該指標包括的頻率范圍。泰克示波器一般標稱的是在最長記錄長度和高采樣率下的JNF。
當使用示波器進行抖動測試時，高速采集內存長度是示波器進行抖動測試的關鍵指標。在示波器的前端放大器和采集電路后面跟隨著高速存儲電路，它存儲ADC轉換的采樣點。高速內存長度不僅決定了一次抖動測試中樣本數的多少，還決定了示波器能夠測試的抖動頻率范圍。表1顯示了20GSa/s高采樣率下，不同內存長度分析抖動頻率范圍的大小。
表1：在20GSa/s高采樣率下不同內存長度分析抖動頻率范圍的大小。
傳統示波器設計時采用將高速采集前端(多達80顆ADC)和高速內存在物理上用一顆SoC芯片實現，由于有太多功能在一個芯片內部，導致片內高速內存容量的限制(在40GS/s下一般小于2M)，只能測量直到20KHz以上的抖動，并且當需要測試低頻抖動時，無法對內存擴展升級。對于大多數應用，測試和分析625Hz到20KHz范圍內的抖動信息非常重要。為了彌補這種設計結構的缺陷，這類示波器會采用外部的低速存儲器彌補片內高速內存，但外部存儲器不能在高采樣率下工作，一般只能提供2GS/s，無法提供有意義的抖動測試結果。
TDS6154C采用硅鍺(SiGe)半導體集成采集前端，并使用專用的高速存儲器。它同時支持最大的帶寬，采樣率和存儲長度。例如，當使用40GS/s 實時高速采集時，512K內存一次采集數據量僅為12.5us，只能測試頻率范圍為80K以上的抖動。在各種串行總線和時鐘抖動測試中都很難滿足測試要求。
因為內存長度對JNF和實際抖動測試都有至關重要的影響，為了提供和其它示波器廠商的該指標有可比性，泰克還提供了其它情況下的JNF指標。即將 TDS6154C示波器的存儲長度限制為2M進行JNF測試，以便和其它有內存限制的示波器進行比較。在這一頻率范圍內，TDS6154C的典型JNF是 420fs，該指標比其它類型示波器小一倍。
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