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在上篇“示波器的抖动测量能力”一文中，我们讲到了示波器做抖动测量的极限能力。有读者留言说用示波器测量100MHz时钟的效果不好。 其实那篇文章正是要讲一下为什么测量效果不好，以及什么时候抖动测量不应该用示波器。 首先回顾一下上篇文章的结论：示波器测量到的抖动结果由3部分构成：示波器自身的采样时钟抖动、示波器底噪声转换成的抖动、被测信号的抖动。现代高带宽示波器自身的采样时钟抖动已经可以做得非常好，基本都在500fs以下，好些的可以做到100fs以下，因此通常不是造成抖动测量误差的主要因素。而由示波器底噪声转换成的抖动成分对于低速信号测量通常是不能忽略的。 为了把这个问题说透，数字君不惜血本，找来了一台32GHz带宽的示波器、一台64G波特率的误码仪、一台26.5GHz的频谱仪，来看个真实的实验。做实验之前，我先把使用的这台示波器在不同带宽和量程下的底噪声指标放在这里，由于后面测试我们都使用的100mV/格的量程，所以重点看这个量程就行了。
在这个实验中，我们准备回答以下3个问题： 1、对于100MHz时钟有没有可能测到1ps的抖动 2、如何改善测量结果 3、终极的方法是什么？ 本文提到的抖动值都为时钟信号的rms值，后面不再赘述。 首先我们用高速误码仪产生一个100MHz的时钟直接连接到示波器（想想都替误码仪委屈，64G的误码仪让我产生100MHz的时钟，呜呜~~）。示波器设置为32GHz带宽、80G/s采样率、10M采样深度，然后进行多次采集并统计ClockTIE抖动。 下图是测量结果。从测量结果看，TIE抖动的方差只有800多fs，是不是非常不错？是不是可以测到1ps以下的抖动？ 但是且慢，我这里能测到1ps以下的抖动，不代表您一定能测到。 区别在哪里？没错，有人已经想到了：产生100MHz的时钟，为什么要用64GBaud的误码仪？ 答案是：为了得到陡的边沿。 从上图的测量结果看，信号的上升时间只有14ps！对于我们做抖动计算来说，用的指标是斜率SlewRate，斜率反映的是信号单位时间上升的电压，可以认为上升时间越陡，斜率越大。直观上也可以看出，虽然我们把信号展开得比较充分了，信号仍然看起来是方方正正的。（实际上这台误码仪输出的上升时间在12ps左右，但是由于我们使用的示波器带宽只有32GHz，所以只测到了14ps左右）。 此时，由于噪声转换成的抖动计算公式为：Noise/SlewRate ≈4mv/(21V/ns) ≈ 200fs，再加上示波器自身的采样时钟抖动在100fs左右，如果被测信号的抖动在700fs以内，示波器是有可能测量到1ps以内的抖动结果的。（以上数据都为rms值，实际的抖动分量应该为平方相加的关系，这里为了叙述方便，做了简化。） 所以，如果被测信号边沿足够陡，高性能的示波器对于100MHz时钟是有可能测量到1ps以下的抖动的。 讲到这里，各位朋友要跳起来了：这个例子太极端，我的100MHz时钟怎么可能做到上升沿只有十几ps？真实情况下怎么样？ 那好，接下来，我们在误码仪的输出端增加了个700MHz左右带宽的低通滤波器，再连接到示波器进行抖动测量。
理论上，无源的滤波器如果匹配没有问题的话，只会把信号边沿变缓，而不会增加信号中的抖动。但是，我们来看一下测试结果，ClockTIE抖动的方差变成了6.6ps！ 信号只是边沿变缓了，为什么测量到的抖动会有这么大区别？ 还是回到我们的公式，此时信号的上升时间为500ps左右，斜率SlewRate 为600V/us，则由于噪声转换成的抖动计算公式为：Noise/SlewRate ≈4mv/(600V/us) ≈ 6.6ps！是不是和Clock TIE的测量结果很接近？ 是的，这时的测量结果里全是误差！ 那怎么办？从公式里看，要减小误差的方法只有两个：减小噪声或增加信号斜率。 增加信号斜率，您可能做不到；减小噪声，示波器可以做得到。 目前，很多高带宽示波器都可以通过调整带宽来减小其自身底噪声。由于示波器的底噪声功率基本上和带宽成正比关系，所以带宽减小4倍，则底噪声的rms值会减小一半。在最前面的示波器底噪声表里，也可以看到，同样在100mv/格量程下，8G带宽时的底噪声约为2mv，约为32G带宽时的一半。 下面是调整不同带宽时对于信号抖动、上升时间、斜率的测量结果。 8GHz带宽时： 2GHz带宽时：
1GHz带宽时： 可以看到，在我们逐渐降低带宽时，由于示波器自身底噪声的下降，测量到的TIE抖动也在下降；但是当带宽下降到一定程度（比如2GHz）后，再降低带宽时信号的上升时间和斜率都有比较大的变化，可以认为此时（比如1GHz带宽时）信号的形状已经失真。如果我们以32GHz带宽时测量到的上升时间482ps为基准，并假定5%的上升沿测量误差在可以接受的范围内，则能够使用的最小带宽为2GHz。而如果能够接受10%的上升沿测量误差，则可以使用1GHz的带宽。
但是，即使在2GHz或者1GHz带宽下，测量到的时钟抖动仍然超过1ps。达不到期望的要求。所以，对于这种边沿比较缓的低频时钟信号，最好用相位噪声的方法进行测量。 下图是把这个信号送入频谱仪进行相位噪声测量的结果，在100Hz~1MHz带宽内积分出来的抖动大约在400~500fs左右，而且测量结果和信号的边沿陡缓程度几乎无关。
接下来，总结一下。 1、示波器的抖动测量能力和其底噪声及被测信号的斜率有关； 2、对于低频时钟信号，示波器测量结果不理想的原因是被测信号上升沿较缓慢。 3、可以通过降低示波器带宽来改善测量结果，但要同时观察带宽降低对于信号上升沿的影响，通常5%以内的上升沿变化在可以接受的范围内。 4、如果降低带宽仍达不到期望的测量结果，只能使用相位噪声分析仪或频谱仪进行相位噪声测量再进行积分得到抖动。
通过这篇文章，希望把示波器测量抖动的能力的概念彻底讲明白，如果还不清楚，欢迎给我留言。 |
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