EP Basics Oszilloskop: Eine sichere Methode, um Clock-Jitter zu messen

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Mit einer speziellen Methode kann der Clock-Jitter zuverlässig bestimmt werden. Dabei wird die Periode des Taktsignals über mehrere Zyklen erfasst und die Standardabweichung gemessen.

Clock-Jitter ist die Schwankung der Frequenz oder der Periode eines Taktsignals. Beide Messungen liefern die gleichen Informationen, aber die Periodenmessung ist eine einfache Zeitintervallmessung, die mit einem Echtzeitoszilloskop leicht möglich ist. Zur Messung des Clock-Jitters als Variation der Periode wird das Zeitintervall zwischen jeder aufeinanderfolgenden steigenden Flanke am gleichen Schwellenwert über mehrere Zyklen hinweg gemessen. Nach der Messung der absoluten Taktsignalperiode, wie in Bild 1 dargestellt, wird der Verlauf und das Histogramm der Periode von Zyklus zu Zyklus zur statistischen Analyse der Variation aufgezeichnet.

Während dieser Messung werden eine Reihe von Oszilloskop-Taktabtastungen und Zeitbasisanpassungen zur Überprüfung der Konsistenz vorgenommen. Bei der Messung des Jitters geht es weniger um die absolute Genauigkeit als um die relative Präzision der Messung des Zeitintervalls von Zyklus zu Zyklus, wobei die absolute Genauigkeit der Zeitbasis des Oszilloskops ein wesentlicher Bestandteil ist.

Die Empfindlichkeit des Taktsignals messen

Mit einer robusten Methode zur Messung des Clock-Jitters haben wir die Grundlage für die Messung der Empfindlichkeit des Taktsignals gegenüber anderen Merkmalen in der Umgebung, die die Periode beeinflussen können. Das Spannungsrauschen auf der Stromschiene ist nur eine äußere Einflussgröße, die den Clock-Jitter beeinflussen kann. In diesem Beitrag demonstrieren wir eine robuste Methode zur Messung des Takt-Jitters anhand eines Beispiels aus dem Webinar von Dr. Eric Bogatin, „The Impact of Power Rail Noise on Clock-Jitter“.

Der Taktgeber in unseren Beispielen ist ein 5-stufiger Ringoszillator, der ein Rechtecksignal zwischen 10 und 66 MHz erzeugt. Das Testinstrument ist ein Oszilloskop des Typs WavePro HD mit einer Auflösung von 12 Bit, vier analogen Eingängen, einer Bandbreite von 8 GHz, einer Abtastrate von 20 GS/s, sowie 5 Gpts mit Sample Clock-Jitter von 60 fs. Dabei führen wir eine Reihe von Oszilloskop-Takttests und Zeitbasisanpassungen als Konsistenzprüfungen durch. Bei der Messung von Jitter geht es weniger um absolute Genauigkeit als um die relative Präzision der Messung des Zeitintervalls von Zyklus zu Zyklus.

Testen des Oszilloskop-eigenen Clock-Jitters

Vor der Messung des Clock-Jitters ist es ratsam, die Zeitbasisgenauigkeit des Oszilloskops mit einer bekannten Quelle zu prüfen, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen entspricht. Wir verwenden den integrierten Funktionsgenerator mit einer absoluten Genauigkeit von 1 PPM, um ein Signal von 30 MHz und 5 V zu erzeugen, das wir an das Oszilloskop an C1 anschlossen.

Anschließend stellen wir einen 50-prozentigen Flankentrigger und eine feste Abtastrate von 20 GS/s ein (Bild 2). Nach der Messung der bekannten Quellfrequenz, Anstiegszeit und Periode mit den Parametern berechnen wir die Teilunsicherheit in Teilen pro Million (ppm) mit der Formel (Δf/f) x 10⁶. Bei einer mittleren Frequenz von 30,00028 MHz ist Δf = 280 Hz, so dass die Teilunsicherheit in PPM bei einem Signal mit 30 MHz 280/30 x 10⁶ = 9,333 beträgt. Damit liegt die absolute Genauigkeit der Oszilloskop-Zeitbasis unter 10 ppm.

Die erwartete Taktsignalperiode abschätzen

Als nächstes schalten wir den Trigger auf den Kanal der Taktquelle und stellen V/div und Time/div ein, bis zwei Perioden des Signals auf dem Raster sichtbar sind. Bild 3 zeigt die Wellenform des Ringoszillators an C2. Die Periode beträgt etwas mehr als vier Divisions, was bei 5 ns/div etwa 21 ns entspricht. Die Anstiegszeit beträgt etwas weniger als zwei kleinere Divisions, von denen jede 1 ns entspricht, also etwa 1,5 ns.

Die Taktperiode messen

Mit den Parametern bei eingeschalteter Statistik messen wir die Anstiegszeit, die Frequenz und die Periode des Taktsignals. Die mittlere Frequenz beträgt 48 MHz, was einer Periode von 20,75 ns entspricht, was sehr nahe an den geschätzten 21 ns und innerhalb des angegebenen Bereichs von 10 bis 66 MHz liegt. Die geschätzte Anstiegszeit beträgt 1,5 ns, der gemessene Wert liegt bei 1,38 ns.

Die Standardabweichung berechnen

Die Standardabweichung (Standard Deviation, sdev) ist ein Maß für die Streuung der Werte um den Mittelwert. Per Definition liegen bei einer Gaußschen Verteilung 68 Prozent aller Messwerte innerhalb von ±1 Standardabweichung vom Mittelwert. Der Wert für die Periode sdev ist ein gutes Maß für den Takt-Jitter, der ein Maß für die Abweichung vom Mittelwert ist. Bei eingeschalteter Statistik wird die Standardabweichung jeder Parametermessung bereits berechnet.

Unser Taktperioden-sdev beträgt 6,18 ps. Da jedoch der intrinsische Sample-Clock-Jitter des Oszilloskops mit 60 fs spezifiziert ist und wir eine Genauigkeit von etwa 9 ppm ermittelt haben, liegt der gemessene Perioden-Jitter von 6,18 ps weit über der Grundwellengrenze des Oszilloskops. Die Messung ist wahrscheinlich korrekt.

Erhöhung der Zeitbasis zur Verlängerung der Dauer der Erfassung

Unter Beibehaltung der maximalen festen Abtastrate erhöhen wir die Zeit/div auf 20 µs/Div bei einer Gesamterfassungszeit von 200 µs und einer Aufzeichnungslänge von 4 Mio. Abtastpunkten. Bei 4 Mio. Punkten pro Erfassung und über 6,3 Mio. Messungen im Puffer hat unsere Periodenmessung immer noch eine Abweichung von 6,1 ps. Das sind etwa 6 ps pro einer Periode von 20 ns oder etwa 0,03 Prozent Abweichung in der Periode (Bild 4 ).

Tracking und Histogramm der gemessenen Periodendauer des Taktsignals

Bild 5 zeigt sowohl den Trace als auch das Histogramm unserer Periodendauermessung. Die Trace-Funktion wird über der aufgezeichneten Wellenform angezeigt, während das Histogramm in einem separaten Raster dargestellt wird. Die vertikale Skala der Funktion Track beträgt 10 ps/div, genau wie die horizontale Skala des Histogramms.

Wenn wir die Ausdehnung der Spur mit dem Auge betrachten, können wir bestätigen, dass das sdev mit den 6 ps sdev übereinstimmt, die von der Statistik der Periodenmessung berechnet wurden. Das Histogramm ist in der Nähe des Mittelwertes der Periodenmessung bei 20,7852 ns zentriert. Die Sattelform des Histogramms ist charakteristisch für eine Gauß- oder Normalverteilung, ein guter Hinweis darauf, dass der Takt-Jitter das Ergebnis eines Zufallsprozesses ist.

Verringern der Abtastrate bis die Messung sich verschlechtert

Als Konsistenzprüfung wird untersucht, wie sich die Abtastrate des Oszilloskops auf den gemessenen Clock-Jitter auswirkt. Das erfolgt aus Gründen eines situationsbezogenen Verständnisses, um sicherzustellen, dass die Messgeräte die Messungen nicht beeinflussen. Wir verringern die Abtastrate schrittweise, bis sich die Messung sichtbar verschlechtert. Von 20 GS/s gehen wir zu 10 GS/s, 5 GS/s und 2,5 GS/s über, wobei sich die gemessene Periode sdev oder die Form des Histogramms kaum ändern. Erst bei 1 GS/s ist eine deutliche Veränderung zu erkennen (Bild 6).

Bei einer Taktrate von 1 GS/s sind die Flanken des Taktsignals durch die Anzahl der Abtastwerte nicht gut genug definiert, um die Periode genau zu messen. Es sind nur etwa 1,3 Abtastwerte an der Flanke vorhanden (die hellen Punkte in der gezoomten Taktsignalform in Bild 6). Im Allgemeinen sollte für Jitter-Messungen die höchstmögliche Abtastrate verwendet werden. Hier zeigt sich, dass die Messgenauigkeit bei einem Bruchteil der maximalen Abtastrate gut ist, und bei 20 GS/s ist die Jitter-Messung zuverlässig.

* Guido Wolf arbeitet im Marketing bei Teledyne LeCroy.

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