訊號的抖動(jitter)的量測

Jitter Measurement Techniques
訊號抖動的量測技術

時脈訊號的抖動(Clock Jitter)

抖動這個名詞，可以被定義成一個時脈訊號，在其輸出轉換的過程中，與理想的轉換點之間的誤差。這個誤差值可能會領先理想的轉會點，或是比轉換點落後。通常抖動的單位為 ±pico second。而訊號的抖動量測，一般被區分成三種量測參數。一、 Cycle-to-Cycle Jitter，二、Period Jitter，三、Long-Term Jitter。這三種參數，都會在一個特別的電壓狀況下去量測。這個電壓通常是Vcc/2或1.5V。

Cycle-to-Cycle Jitter

所謂的Cycle-to-Cycle Jitter，這個抖動誤差是目前這個cycle的週期時間，與前一個cycle的週期時間，它們之間的差異值。這種形式的抖動量測，是最困難量測的，因為它需要一台時間間隔分析儀(Timing Interval Analyzer: TIA)才有辦法來量測。圖1是以圖形化的方式來表達Cycle-to-Cycle Jitter的定義。J1及J2是訊號的抖動誤差值。在所有的誤差值中，會有一個最大值。我們稱為Maximum Cycle-to-Cycle Jitter。



過大的Cycle-to-Cycle Jitter，會導致系統失效。以圖2為例，PLL1的輸出是PLL2的參考輸入頻率。PLL1的Cycle-to-Cycle Jitter超過PLL2的容許範圍時，PLL2就沒有辦法鎖定參考輸入頻率。因此，PLL1的Cycle-to-Cycle Jitter要小到讓PLL2能鎖定參考輸入頻率。



量測兩個連續時脈訊號週期，是比較困難的。因為這樣的量測，需要俱備較高的量測精準度。舉例而言，PI6C2510-133這個PLL，它的Zero-Delay Buffer對Cycle-to-Cycle Jitter最大規格要求為±75ps。因此，要得到精確的量測結果時，量測環境的setup及量測設備的使用，要俱備一定的精準度與穩定度。為達到這個目的，有兩種量測技術可供使用。一種是使用時間間隔分析儀(Timing Interval Analyzer)來量測。時脈的輸出訊號，會被連接到TIA，因此連續的兩個週期的訊號就可以被量到，並進一步計算抖動誤差。為了要知道最差狀況的抖動誤差，我們需要做多次的量測。如此可以量出最大的抖動誤差值。另外一種方式是使用套裝軟體的方式。例如，AMHERST System Inc公司出品的Time Interval Software Package。再配合接一個外部的示波器，如HP54720D。示波器會抓取一定且足夠數量的週期數。實際上，這個數量的限制，是取決於示波器的記憶體大小。抓取到的訊號，會被送入軟體加以計算，並取得Cycle-to-Cycle Jitter這個量測參數。

Period Jitter

所謂的Period Jitter，它的定義是每一個訊號週期時間與理想週期時間，它們之間的最大差異值。圖3是以圖形化的方式來表達Period Jitter的定義。Period Jitter這個參數的量測，在整體系統環境下量測時，是計算時序的邊界來達到量測的目的。舉例而言，以一個微處理器為基礎的系統而言，假設微處理器對Data而言，需要2ns的setup時間。並同時假設，驅動微處理器的時脈訊號，其最大的Period Jitter為2.5ns。這種情況之下，時脈訊號的上昇邊緣，會比Data 訊號提早出現。因此，微處理器會取得錯誤的資料，導致系統操作不正常。圖4說明這種狀況。因此，系統設計人員，必須要考慮Period Jitter，以便計算系統的Timing Margins。





有一種Period Jitter的量測方法，它需要俱備儲存裝置的示波器(storage oscilloscope)。我們可以將示波器Trigger在時脈訊號的上昇邊緣，並且旋轉按鈕，直到時脈訊號的上昇邊緣，可以顯示在螢幕上為止。為了重疊時脈訊號的上昇邊緣，你可以打開無窮顯示功能。因此上昇緣，會與其他週期的上昇緣，重疊顯示。你可以在一段時間後，觀查到Period Jitter的值。

Long-Term Jitter

所謂的Long-Term Jitter，它的定義是時脈訊號，經過相當數量的週期後，它與理想訊號之間的最大誤差值。圖5是以圖形化的方式來表達Long-Term Jitter的定義。而所謂的相當數量的週期，是取決於實際上的應用及時脈頻率。對PC的主機板與圖形的應用而言，這個週期，通常在10-20微秒之間。對於其它的應用可能會有不一樣的週期。我們以一個系統的應用為範例來說明。顯示卡驅動CRT螢幕為例，Long-Term Jitter會造成什麼樣的影響呢?假設有一個像素的資料，是要提供給CRT螢幕(10,24)這個座標位置之用。但因為Long-term Jitter的影響，這個資料可能被驅動到錯誤的座標位置(11,28)上。因為會抖動的時脈訊號(Jittery clock)，對所有像素的影響是一致性的，因此整體的影響會導致一個影像的偏移。這個效應，就是眾所週知的「Running of the screen」效應。



為了量測Long-Time Jitter這個參數，有一種技術稱為差動相位量測法「Differential phase measurement」。時脈訊號會被連接到一台Time-Base的示波器(Oscilloscope)上。將示波器設定為上昇緣當Trigger訊號。再使用Delayed Time-Base這個功能，此時相同的時脈波形，會被顯示在示波器的螢幕上。因此，Long-Term Jitter可以藉由第一個上昇緣，與時間延遲的設定，加以計算而得。

Summary

量測訊號抖動參數，是需要俱備一致性的方法與足夠精密的量測設備。這邊所談到的，只是訊號抖動參數量測的基本方法。如果工程師或技術性人員，遵循以上量測的基本原則與方法，取得可靠且精確的量測結果，應該是可以預期的。



Note:
資料來源Pericom Semiconductor Corporation,”Application Brief AB-36” by Nelson Soo.

數位示波器的應用抖動(Jitter)測量:

http://www1.tek.com/zh-tw/download/docs/onlineseminar/SR2_02.pdf

根據應用需求選擇適當的示波器頻寬

http://www.eettaiwan.com/ART_8800454810_480402_TA_8bd7c619.HTM