示波器进行时钟抖动测试的精度
示波器的时间测量和时钟同步技巧
示波器的时间测量和时钟同步技巧示波器是在电子行业中广泛使用的一种测量仪器，其主要功能是展示电压随时间的变化情况，并进行各种信号的分析和测量。
然而，在使用示波器进行时间测量时，由于外部环境的干扰和示波器本身的误差等原因，可能存在一定的不准确性。
因此，本文将介绍一些示波器的时间测量和时钟同步技巧，以提高测量结果的准确性和可靠性。
一、示波器的时间测量技巧1. 选择合适的触发源：在进行时间测量时，触发源的选择非常重要。
触发信号的稳定性和准确性将直接影响到示波器的测量结果。
因此，根据具体需求选择合适的触发源，如外部触发、内部触发或自动触发等。
2. 合理设置时间基准：示波器的时间基准是进行测量的基础，因此必须正确设置和校准时间基准。
可以使用外部时间基准或内部时间基准，通过与标准时间源进行对比和校准，确保时间测量的准确性。
3. 调整水平和垂直缩放：在进行时间测量时，通过调整示波器的水平和垂直缩放，可以使观测信号完整地显示在示波器的屏幕上，从而准确地进行时间测量。
二、示波器的时钟同步技巧1. 外部时钟同步：当需要对示波器进行时间同步时，可以通过外部设备提供的时钟信号进行同步。
将外部时钟源连接到示波器的外部时钟输入端口，并确保外部时钟源的稳定性和准确性，以实现示波器的时钟同步。
2. 内部时钟校准：示波器的内部时钟是进行时间测量的关键，因此需要定期校准示波器的内部时钟。
可以使用标准时间源进行校准，根据校准结果调整示波器的内部时钟，以确保示波器测量结果的准确性。
3. 信号触发和同步：在进行时钟同步时，需要确保待测信号与示波器的时钟信号同步。
可以通过信号触发设置和同步信号源的选择来实现信号的触发和同步，从而保证测量结果的准确性。
总结：对于示波器的时间测量和时钟同步技巧，需要充分考虑信号触发和同步，选择合适的触发源和时钟源，并进行适当的调整和校准。
只有确保示波器的测量准确性和时钟同步性，才能得到可靠的测量结果，并满足实际应用的需求。
时钟抖动度量指标和测试方法概述
PAGE 068定位导航与授时Positioning,Navigation and Timing时钟抖动度量指标和测试方法概述■ 龙丹（海军工程大学 430033）数字通信系统中，时钟抖动是影响通信质量的因素之一，在系统设计、设备研制、工程验收等各环节抖动指标是必须考虑的。
本文介绍了通信中常用的抖动概念、分类、度量指标和测试方法，并对时钟设备抖动指标测试进行了描述。
最后对抖动测试的发展方向进行了展望。
In digital communication systems, clock jitter is one of the factors that affect communication quality, and jitter indicators must be considered in various links such as system design, equipment development, and engineering acceptance. This article introduces the jitter concepts, classifications, metrics and test methods commonly used in communications, and describes the jitter index test of clock equipment. Finally, the development direction of jitter test is prospected.时钟抖动 高速时钟同步Clock jitter; high-speed clock synchronizationDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2021.02.010摘 要Abstract关键词Key Words１． 背景ITU-T G.810标准中抖动的定义是“数字信号的各个有效瞬时相对其当时的理想位置（相位）的短期性偏离”，相位偏离的频率称为抖动频率，“短期”指变化的频率大于或等于10Hz（这里是通信领域传统的定义，其他领域对抖动可能有不同的定义）[1]。
如何设置示波器来完美测量抖动
如何设置示波器来完美测量抖动对抖动完美测量的一半工作量都在于如何设置示波器。
我们的目标是捕获并显示出信号在系统环境下的真实情况。
因为每个实验室都有实时示波器，有必要知道如何去操作它们。
抖动测量对环境特别敏感，所以要想办法针对各种抖动优化测试环境。
首先要选取具备合适带宽的设备。
如果带宽太窄，测试得边沿速率就会很低。
低的沿速率会将幅度噪声更多的转化为时域错误。
但是，如果带块太大，也只会增加测试中的热噪声和散粒噪声从而提高噪底。
在NRZ码流来讲，一个经验规则就是选取带宽为码率的1.8倍。
接下来，尽量提高采样率，避免发生由于欠采样而发生的混叠效应。
理论上，采样速率至少是信号最高基频的两倍；实际上，捕获过程中的模拟信号整形和数据变换会留有余量，因此示波器真正需要的采样速率是最高基频的2.5到3倍。
所以，示波器的带宽采样速率比大概为1到3。
对于减小ADC量化误差来讲增大仪器的纵向解析度很重要。
调节电压/ 刻度旋钮直到图形正好进入屏幕的垂直范围。
过度就会使ADC变化饱和，不满就会减低SNR。
测量TIE抖动时时基设置也很重要，因为这项设置相当于可调的高通滤波器。
时基会设置捕获时的最小TIE频率（示波器带宽决定最高抖动频率）。
同样，确定测试数据码型中包含有正确的频谱成分范围，并且只含有实数频谱成分。
当采用PRBS码型时，码型长度要足够长保证捕获到低频分量，同时又不能超过仪器的存储范围。
始终减少触发与第一个采样点间的延时。
信号被触发后，定时的不确定与时基等待采样数据的长短成正比。
减少延时降低了这种不确定性，因此减低。
时钟精度测量实验操作指南
时钟精度测量实验操作指南时钟精度是衡量时间计量设备准确性的重要指标，对于各行各业的时间同步与频率控制都具有重要的意义。
本篇文章将详细介绍时钟精度测量实验的操作指南，以帮助读者进行精确的实验研究。
1. 实验前准备在进行时钟精度测量实验前，需要先准备以下物品：高精度时钟源、信号发生器、频率计、示波器、计算机等。
确保这些设备都处于正常工作状态，并进行时代校准。
2. 设置实验环境实验环境对时钟精度测量有重要影响，因此需要选择一个尽可能稳定的实验环境。
避免温度变化过大、气流扰动、电磁辐射等因素对实验结果产生干扰。
确保实验台面平整稳固，并将实验设备放置在不易受干扰的位置。
3. 连接设备将高精度时钟源、信号发生器、频率计、示波器和计算机依次连接起来。
注意正确连接各个设备的输入输出接口，并检查连接是否牢固。
4. 设置实验参数根据实验需求，设置相应的实验参数。
包括时钟精度测量范围、采样频率、计算方法等。
在设置参数时要注意对各个设备进行校准，以保证实验的准确性。
5. 开始测量在设置好实验参数后，可以开始进行时钟精度测量了。
首先，使用信号发生器发送规律的时钟信号给高精度时钟源，作为输入信号。
然后，在频率计和示波器上观察和记录输出信号的波形和频率。
6. 数据分析与处理测量完实验数据后，需要对数据进行分析和处理。
可以使用计算机软件进行数据采集和处理，生成相应的图表和曲线。
通过对数据的分析可以评估时钟的性能和精度，以及可能存在的误差源。
7. 误差控制在进行时钟精度测量实验时，需要注意误差的控制。
将实验环境保持稳定，避免瞬态干扰的影响；进行实验前对设备进行校准，确保其准确性；合理选择实验参数，以使实验结果更加可靠准确。
8. 实验结果分析通过对实验结果的分析，可以评估时钟精度的高低。
如果实验结果满足要求，说明时钟的性能较好，可以满足实际应用需求。
如果实验结果不理想，需要进一步分析并找出问题的原因，进行调整和改进。
总结：时钟精度测量实验是一项复杂和精细的工作，需要仔细操作和严谨的实验设计。
时钟抖动的定义与测量方式
译自： SiT-AN10007 Rev 1.2 January 2014Clock Jitter Definitions and Measurement Methods时钟抖动的定义与测量方式[译]懒兔子1 简介抖动是实际信号的一组边沿与理想信号之间的偏差（兔子：说白了，抖动就是实际情况和理想情况不一样，差别越大抖动越大）。
时钟信号的抖动通常由系统中的噪声或其他干扰因素引起。
影响因素包括热噪声、电源变化（波动）、负载的状况（负载也可以反过来影响时钟信号）、设备噪声和临近电路耦合进来的干扰。
2 抖动的分类抖动可以通过许多方式测量（不同方式测量到的抖动被分别加以定义），以下是主要的抖动分类：1. 周期抖动（Period Jitter）2. 相邻周期间的抖动（Cycle to Cycle Period Jitter）3. 长时间抖动（Long Term Jitter）4. 相位抖动（Phase Jitter）5. 单位时间间隔抖动（TIE，Time Interval Error）2.1 周期抖动周期抖动是时钟信号的实际周期长度与理想周期长度之间的偏差，测量样本为数目不定（随机）的一组周期。
如果给定一定数目的单个时钟周期，我们就可以通过测量每个周期的长度并计算平均的周期长度，以及这些时钟周期的标准差和峰峰值（peak-to-peak value）。
这里所说的标准差和峰峰值也分别被称为RMS抖动和Pk-Pk周期抖动。
许多文献将周期抖动直接定义为被测时钟周期与理想周期之间的误差。
但是真实情况下很难对理想周期进行量化。
如果我们用示波器观察一个标称100MHz的晶振，测得的平均时钟周期却可能是9.998ns，而不是理想的10ns。
所以退而求其次，通常将平均周期作为理想周期看待（兔子：因为实际周期都是在理想值周围按照一定规律分布的，如果测量时间足够长，得到的平均值就可以非常接近理想值）。
2.1.1 周期抖动的应用周期抖动对于计算数字系统的时序裕量十分有用。
抖动测量的三种方法
抖动测量三种有效方法只要测试数据通信IC或测试电信网络，就需要测试抖动。
抖动是应该呈现的数字信号沿与实际存在沿之间的差。
时钟抖动可导致电和光数据流中的偏差位，引起误码。
测量时钟抖动和数据信号就可揭示误码源。
测量和分析抖动可借助三种仪器：误码率(BER)测试仪，抖动分析仪和示波器(数字示波器和取样示波器)。
选用哪种仪器取决于应用，即电或光、数据通信以及位率。
因为抖动是误码的主要原因，所以，首先需要测量的是BER。
若网络、网络元件、子系统或IC的BER超过可接受的限制，则必须找到误差源。
大多数工程技术人员希望用仪器组合来跟踪抖动问题，先用BER测试仪、然后用抖动分析仪或示波器来隔离误差源。
BER测试仪制造商需要测量其产品的BER，以保证产品符合电信标准。
当需要表征数据通信元件和系统时，BER测试对于测试高速串行数据通信设备也是主要的。
BER测试仪发送一个称之为伪随机位序列(PRBS)的预定义数据流到被测系统或器件。
然后，取样接收数据流中的每一位，并对照所希望的PRBS图形检查输入位。
因此，BER 测试仪可以进行严格的BER测量，有些是抖动分析仪或示波器不可能做到的。
尽管BER测试仪可进行精确的BER测量，但是，对于10-12BER(每1012位为1位误差)精度的网络或器件测试需数小时。
为了把测试时间从数小时缩短为几分钟，BER测试仪采用“BERT scan”技术，此技术用统计技术来预测BER。
可以编程BER测试仪在位时间(称之为“单位间隔”或“UI”)的任何点取样输入位。
“澡盆”曲线表示BER是取样位置的函数。
若BER测试仪检测位周期(0.5UI)中心的位，则抖动引起位误差的概率是小的。
若BER测试仪检测位于靠近眼相交点上的位，则将增大获得抖动引起位误差的似然性。
抖动分析仪BER测试仪不能提供有关抖动持性或抖动源的足够信息。
抖动分析仪(往往称之为定时时间分析仪或信号完整性分析仪)可以测量任何时钟信号的抖动，并提供故障诊断抖动的信息。
如何用示波器进行ps级时间精度的测量
如何用示波器进行ps级时间精度的测量――BJLK 在很多领域如雷达、航天、测绘、高能物理、科研、通信系统中都需要对多个通道间的时间间隔进行精确测量，对于一些极端的应用，要求多通道时间间隔的测试的误差要在50ps以下甚至更小，如何尽量克服测量仪器本身的限制以进行如此高精度的时间参数测量呢？本文以Agilent示波器为例，提供了一种方法。
要进行ps级时间测量，首先需要示波器的带宽和采样率不能太低，否则信号失真会带来测量误差。
Agilent的90000系列示波器可以提供13GHz的带宽以及40G/s的采样率，采样点的间隔可以达到25ps，再通过插值，单一通道的时间测量精度可以<5ps，初步提供了精确测量的可行性。
下一步就是如何校正示波器不同通道的时延差以进行多通道时间间隔的精确测量。
示波器前面板上有快沿的校准输出信号（Aux Out），可以把这个校准信号依次连接各个通道，按照校准界面的提示依次完成各个通道的时延和衰减的校准。
具体方法和可以参考示波器Service Guide的说明。
校准完成后通道间的时延误差可以控制在ps量级（<30ps）。
校准可以在现场由用户自己完成，当观察到当前时间相对上次校准时间超过半年或校准温度差别超过5摄氏度时需要重新校准。
通过以下方法可以进一步验证和减小通道间的时延：把示波器的Aux Out输出设为DemoClk输出，经过功分器分成2路，用2根等长的电缆分别送到示波器的2个输入通道并打开平均模式。
测量2个通道上升沿的时间差T1。
然后互换2根BNC电缆，再测量2个通道上升沿的时间差T2。
则此时示波器2个通道间的时延差为(T1+T2)/2。
然后通过在通道skew设置中把这个值输入手动进一步调整延时。
然后再次测量T1和T2，确认T1约等于-T2。
通过以上方法，示波器2个通道间的时延误差和测试电缆不等长所造成的误差基本被消除掉，由于其它不确定性所造成的通道时延误差可以控制在10ps之内。
示波器的测量精度和准确性分析
示波器的测量精度和准确性分析示波器是一种广泛应用于电子测量和实验的仪器。
在电路设计和故障排除中，精确的测量结果对于确保电路性能和可靠性至关重要。
因此，了解示波器的测量精度和准确性是十分重要的。
一、测量精度示波器的测量精度指示波器测量结果与被测波形真实值之间的差异程度。
测量精度受到示波器本身技术特性和测量环境等因素的影响。
1. 垂直测量精度垂直测量精度是指示波器对输入信号幅值的测量精度。
它受到示波器的增益线性度、输入缓冲放大器的噪声以及示波器的垂直分辨率等因素的影响。
增益线性度指的是示波器在不同设置下的放大倍数是否准确。
如果示波器的线性度不高，测量结果将存在明显的偏差。
2. 水平测量精度水平测量精度是指示波器对时间和频率的测量精度。
它受到示波器时间基准的稳定性、水平缩放的准确性以及示波器的时间分辨率等因素的影响。
时间基准的稳定性是指示波器的时间刻度是否准确及其长期稳定性。
若时间基准不可靠，测量结果将受到很大影响。
二、准确性准确性是指示波器测量结果与被测信号真实值之间的接近程度。
示波器的准确性主要与校准有关，校准是确保示波器测量结果准确的重要手段。
1. 定期校准定期校准是示波器维持准确度的重要方法。
示波器制造商通常建议用户在使用一段时间后进行定期校准。
通过校准，可以检查和调整示波器各个测量通道的增益、偏移、时间基准以及补偿等参数，确保测量结果准确。
2. 外部标准使用外部标准是进行示波器校准的一种常见方法。
外部标准可以是已知准确度的信号源或者其他经过校准的设备，通过与示波器进行比较，确定示波器的测量偏差，并进行修正，从而提高示波器的准确性。
三、提高测量精度和准确性的方法1. 注意测量环境示波器的测量精度和准确性受到测量环境的影响。
应尽量避免电磁干扰和温度变化等因素对示波器的影响，确保测量结果的可靠性。
2. 合理选择示波器根据具体需求，在选择示波器时考虑其技术指标和功能。
对于要求较高的应用场景，需要选择具有高精度和准确性的示波器，以确保测量结果的可靠性。
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示波器进行时钟抖动测试的精度分析
抖动是指数字信号中不期望的相位调制，同时也是衡量高速数字信号质量的最重要的指标。
现在各种通信标准都对通信设备的抖动的指标有严格的要求，各种总线的一致性测试中也会对随机抖动、确定性抖动、时间间隔误差、总体抖动等有要求。
示波器是很强大的工具，目前很多windows平台的示波器都提供了一些抖动分析的软件，可以提供直方图、时间图、抖动频谱、RJ/ DJ分解、浴盆曲线等一系列漂亮的测试报告。
但是事实上，很多用
户在使用示波器进行精确抖动测量时却不能得到很好的结果。
比如明明要求被测时钟的抖动小于0.5ps RMS，实际测出来却是5ps RMS，数量级的错误使得很多用户开始怀疑测量结果和测量方法的可信程度。
这些错误结果的出现除了部分是由于对抖动概念理解不够从而设
置错误外，还有很大一部分原因是不了解所使用的示波器的抖动测量能力，也就是您在使用的这台示波器究竟能测量到多小的抖动，以及和那些因素有关。
衡量示波器实际能测量到的最小的抖动的指标是抖动测量本底（J itter measurement floor）。
如果被测件的实际抖动小于示波器的抖动测量本底，这些抖动是不可能被测量到的。
抖动测量本底这个指标和示波器的采样时钟抖动、底噪声以及被测信号都有关系，其表现为示波器对测量结果增加的随机抖动的大小。
由于不同示波器厂商用不同的方法定义抖动测量本底，这就要求购买或使用示波器的工程师深
入理解不同指标定义的含义。
通常用来衡量示波器抖动测量能力的指标有2个：固有抖动（Int rinsic Jitter）和抖动测量本底（Jitter Measurement Floor）。
这2
个指标间有关系但又不完全一样，下面就来解释一下。
1、固有抖动
示波器的固有抖动，有时又叫采样时钟抖动，是指由于示波器内
部采样时钟误差所造成的抖动。
由于现在高带宽示波器的采样时钟频率都非常高，可高达80G/s或者更高，因此要保证每一个实际的采
样点都落在其应该在的理想位置是个非常有挑战性的工作。
示波器里通常使用专门的芯片或时基系统来保证送给其ADC芯片的采样时钟间精确的时间关系。
以Agilent其90000X示波器为例，其固有抖动是150fs。
这里，固有抖动意味着如果不考虑其它因素情况下理论上示波器能够测量
到的最小的抖动值。
有些厂商把这项指标称为示波器的抖动测量本底，但事实上理论上的固有抖动指标本身并不能准确地告诉工程师这台
示波器会给抖动测量带来多大误差。
2、抖动测量本底
事实上示波器都是有底噪声的（这是指幅度上的噪声），同时被
测信号的斜率（指被测信号边沿单位时间内电压变化的速度）又不是无穷大的。
因此示波器本身的垂直方向的幅度噪声叠加在被测信号上，
会引起信号边沿过阈值时刻的时间水平风向的时间变化。
也就是说，示波器的底噪声会转换为抖动测量的不确定性。
示波器底噪声越大，这个影响越大；同时信号斜率越缓，噪声转换为抖动的比例系数越大。
在很多实际的抖动测量里，示波器底噪声和信号斜率对测量结果的影响占主要因素。
很多用户在用示波器进行抖动测量时发现增加信号的驱动能力抖动结果会有改善的原因。
事实上信号里的抖动可能还是那么大，但是增加驱动能力后信号斜率变陡，示波器底噪声对抖动测量的影响变小从而使测试结果看起来更好。
示波器的抖动测量本底才是真正衡量实际情况下示波器给抖动测量带来的误差的指标，这个指标综合考虑了示波器的采样时钟抖动以及被测信号斜率和示波器底噪声的影响。
以Agilent 的90000X示波器为例，其抖动测量本底指标如下：
这里，抖动测量本底指标考虑了3个因素：示波器采样时钟抖动、示波器在当前量程下的底噪声和被测信号斜率。
有时示波器厂商只给出了示波器的固有抖动指标（比如200fs），这只是给出了示波器在最理想情况下（信号斜率非常陡）的采样时钟抖动，并不能真实衡量示波器真实的抖动测量能力。
相反的，抖动测量本底指标考虑了多方面的影响，从而能够更真实衡量示波器的抖动测量能力。
前一篇对于示波器抖动测量的指标做过介绍后，我们来看几个抖动测量真实的例子。
下面3张图是用一台25GHz带宽、80G/s采样率的9000X示波器分别对2 0GHz、5GHz、2GHz的正弦波信号进行时间间隔误差抖动测量的结果，输入的正弦波来源于Agilent的E8257D微波信号源，这是非常纯净的正弦信号源，其实际抖动小于50fs，因此我们可以认为示波器实际测量的到的抖动结果就是示波器本身的抖动测量本底，也就是示波器在这种情况下抖动测量能力的极限。
我们可以看到对20GHz的抖动测试结果是100fs左右，对5GHz的抖动测试结果是400fs左右，对2GHz的抖动测试结果是1ps左右。
下图显示出了9000 0X示波器对不同频率正弦波信号的抖动测量本底的曲线。
只有在信号频率很高、信号斜率很陡时，示波器的抖动测量本底才会最接近其固有抖动指标。
但即使这样，可能凭借其独一无二的内部两个独立测量通道间的交叉相关技术，它可以把比其内部参考时基的残余抖动还要小的抖动测试出来。
使用这种交叉相关技术，E5052B达到了所有其它信号源分析仪根本无法达到的最高性能。
与示波器相比，它的抖动测量本底声更是只有示波器的100 到1000 分之一。
E 5052B广泛用于晶振的指标测试中，现在随着高速数字通信电路对时钟抖动要求的提高，E5052B在数字时钟的抖动测试中也开始崭露头角。
下图是E5052B 及其相噪测量界面。
谈到这里可能会有人有疑问了，既然E5052测得这么好，我还要示波器干什么？事实上，术业有专攻，E5052虽然测得准，但只能测时钟抖动，对于数据抖动的测量还需要用示波器。
好在一般对于数据抖动的要求不象时钟抖动那么严格，而且高速数字信号的边沿都比较陡，所以针对这种应用好的实时示波器还是能给出不错的测量结果的。
总结一下：示波器的固有抖动指标反映的是示波器内部采样时钟抖动对测量的影响，是理想情况下示波器抖动测量的极限值。
而抖动测量本底综合考虑了示波器采样时钟抖动、示波器当前量程下的底噪声和被测信号斜率等示波器的抖动测量能力，可以更好地描述真实情况下示波器的抖动测量能力。
抖动测量本底和示波器当前量程下的底噪声和被测信号斜率都有关系，同样量程下示波器底噪声越低、被测信号斜率越陡，测量结果越好。
如果需要更精确的时钟抖动测量，可以考虑选择信号源分析仪用相噪的方法进行测量。