问题

如果想测量一个号称采用0.1ppm误差晶振的spdif信号的质量(抖动),需要多好的示波器?

回答
测量一个宣称具备0.1ppm误差的晶振在SPDIF信号中的抖动,这确实是个细致活儿,对示波器的要求不低。这不仅仅是看到波形那么简单,而是要深入到信号的时间精度上来。咱们就来好好捋一捋,需要啥样的装备和思路。

首先,咱们得明白几个关键点:

1. 0.1ppm误差是什么概念? 这是一个相对误差,意味着在一定时间内(通常是月或年),晶振的频率偏差不会超过其标称频率的十万分之一。对于一个常见的24.576MHz的SPDIF时钟来说,0.1ppm的误差意味着频率偏差只有0.1 10^6 24.576 10^6 Hz ≈ 2.46 Hz。这听起来很小,但对于数字信号的时序来说,即使是这么微小的频率漂移,累积起来也可能导致问题。

2. SPDIF信号的特点: SPDIF(Sony/Philips Digital Interface Format)是一种数字音频传输接口。它传输的是数字数据流,并且这个数据流是嵌入了时钟信息的。这就意味着,接收端需要从数据流中恢复出时钟,然后根据这个恢复的时钟来采样数据。这个过程对时钟的稳定性(也就是抖动)非常敏感。 SPDIF信号的时钟率通常是数据速率的两倍(FS x 2),或者与数据速率相同。例如,44.1kHz的音频采样率,可能会对应一个24.576MHz的时钟(44.1kHz 512),或者更低的速率。

3. 抖动(Jitter)是什么? 抖动就是数字信号的时钟边沿相对于理想位置的偏移。它有各种类型:周期性抖动(PJ)、随机抖动(RJ)、数据相关抖动(DDJ)、占空比失真(DDJ)等。在SPDIF信号中,抖动会直接影响接收端对数据位边界的判断,可能导致误码,声音失真,甚至静音。

那么,用什么示波器才能测得出来呢?

这得从示波器的几个关键性能指标来看:

带宽(Bandwidth): 测量数字信号的边沿变化速度需要足够的带宽。SPDIF信号的上升和下降时间(slew rate)通常比模拟信号快得多,尤其是在高速传输时。一个经验法则是,示波器的带宽至少应该是被测信号最高频率分量的3到5倍。SPDIF的基波频率是数据速率,但最关键的是它的数据边沿变化速度。虽然SPDIF本身不是RF信号,但它的快速边沿包含了高频成分。一个至少几百MHz,最好是GHz级别的带宽会是比较理想的选择。低带宽的示波器会“削平”信号的边沿,让你看到的波形失真,无法准确测量抖动。

采样率(Sampling Rate): 为了捕捉信号的细微时间变化,示波器需要以足够高的频率采样。采样率越高,示波器重建波形的能力越强,也就越能精确地测量边沿。通常要求示波器的采样率至少是被测信号上升/下降时间的35倍。对于GHz带宽的示波器,其采样率通常也是GHz级别,这足够了。一个关键点是,连续采样率(Realtime Sampling Rate),而不是等效采样率(Equivalenttime Sampling Rate)。等效采样率是通过多次触发来构建波形的,对于测量随机变化或不规则的抖动可能不够精确。

垂直分辨率和精度(Vertical Resolution & Accuracy): 虽然抖动是时间上的问题,但示波器的垂直精度也会影响到触发和测量。SPDIF信号是逻辑电平,通常是高电平(如+5V或+3.3V)和低电平(GND或接近GND)。示波器的分辨率(bits)决定了它能区分多小的电压变化。8位或更高分辨率的示波器通常是必需的,尤其是当你需要测量一些与电平相关的抖动成分时。垂直精度则关乎测量结果的准确性。

触发功能(Triggering): 这是测量抖动的核心之一。
边沿触发(Edge Triggering): 最基本的触发方式,用于稳定显示波形。
序列触发(Serial Triggering)或协议触发(Protocol Triggering): 这是关键!测量SPDIF抖动,你不是想看一个单一的脉冲,而是想看数据流中的时钟信号。SPDIF协议有一定的格式,比如可能有同步字。理想情况下,你需要一个能够解码SPDIF协议的示波器,或者能够触发在特定的数据模式上。有些高级示波器可以通过配置来识别SPDIF的同步信号,然后在其附近进行测量。
抖动分析触发(Jitter Analysis Triggering): 一些高端示波器专门设计了抖动分析功能,它们可以设置特定的触发条件来捕捉可能导致抖动的特定数据模式。

抖动分析功能(Jitter Analysis Tools): 这绝对是衡量是否能胜任这项任务的关键。
抖动分解(Jitter Decomposition): 这是最重要的功能。它能将总抖动(Total Jitter, TJ)分解为周期性抖动(PJ)和随机抖动(RJ)等成分。理解这些成分有助于定位抖动源。
抖动时间图(Jitter Time Histogram/Eye Diagram): 将大量采集到的边沿位置绘制成直方图或眼图。眼图能直观地展示信号的时序质量,包括边沿的倾斜度、眼开度等。
抖动趋势图(Jitter Trend Plot): 显示抖动随时间的变化,这对于识别与温度或电源波动相关的抖动特别有用。
抖动测量: 直接显示各种抖动参数,如TJ, RJ, PJ, DDJ, PkPk jitter等。

那么,具体要什么样的示波器呢?

基于以上分析,要准确测量0.1ppm误差的晶振在SPDIF信号中的抖动,你需要一台高性能的数字示波器(DSO)或混合信号示波器(MSO)。具体来说:

1. 基本配置:
带宽: 1GHz或更高。
采样率: 10GSa/s或更高(连续采样)。
垂直分辨率: 至少8位,10位或12位更好。
内存深度: 足够长,以便捕获足够多的数据点来进行详细分析。

2. 关键功能:
高级触发: 支持协议触发(最好是SPDIF),或者能够非常精细地控制边沿触发,例如触发在上升沿的特定电压阈值。
抖动分析套件: 这是重中之重。你需要一个内置或可外接的抖动分析软件/硬件模块。这个套件应该能提供抖动分解、眼图分析、抖动趋势图等功能。

举个例子,你可能需要看下面这些级别的示波器:

中高端示波器(例如,是德科技 InfiniiVision 3000X/4000X 系列,泰克 MSO4/5/6 系列,力科 HDO 系列等):这些示波器通常具备数百MHz到GHz级别的带宽,有不错的垂直分辨率,并且许多都提供可选的抖动分析软件。如果你的预算有限,但又要达到一定效果,可以考虑配置这些示波器的较高端型号,并购买相应的抖动分析选项。

高端示波器(例如,是德科技 Infiniium 系列,泰克 MSO70000/80000 系列,力科 WaveSurfer/Brigante 系列等):这些是专业级的仪器,动辄几个GHz到几十GHz的带宽,更高的垂直分辨率和采样率,以及非常强大的内置抖动分析能力。如果你的应用非常严苛,或者需要进行非常深入的抖动研究,那么这类示波器是最佳选择。它们通常也集成了更多的协议分析能力,可能直接支持SPDIF的协议解码和触发。

测量思路和步骤:

1. 探头选择: 使用低电容、高带宽的有源探头。确保探头的接地线足够短,以避免引入额外的噪声和振铃。
2. 连接: 直接将探头连接到SPDIF输出信号线和地。
3. 触发设置:
如果示波器支持SPDIF协议解码,尝试配置协议触发,例如触发在传输的特定数据帧或同步字附近。
如果不支持,则使用边沿触发,并仔细调整触发电平,使其稳定地触发在数据信号的有效边沿上。
4. 采集数据: 触发并采集大量的波形数据。内存深度越大,采集的数据越完整,分析结果越准确。
5. 抖动分析:
眼图分析: 首先生成眼图,观察眼的高低、宽度,以及边沿的倾斜程度。这能给你一个初步的直观印象。
抖动分解: 使用示波器的抖动分析功能,将总抖动分解为PJ、RJ、DDJ等。注意观察各种抖动成分的大小。
抖动趋势: 如果可能,观察抖动随时间的变化趋势。
测量数值: 记录TJ, RJ, PJ等关键抖动参数的数值。

需要注意的几个陷阱和细节:

测试环境: 确保你的测试环境稳定,避免环境温度、电源噪声等外部因素影响测量结果。被测晶振本身是核心,但整个系统的稳定性也至关重要。
信号完整性: SPDIF信号的传输路径(PCB走线、连接器等)对信号质量有很大影响。确保你的测量点是高质量的信号输出点,并且连接的探头和线缆本身不会引入过多的损耗或反射。
示波器自身的抖动: 高端示波器也有自己的内部噪声和抖动,虽然非常小,但在测量极限精度时也需要考虑。很多示波器会提供其自身的抖动本底噪声数据。
触发抖动: 触发电路本身也可能引入抖动。高级示波器的抖动分析功能通常会采用更先进的触发算法,以减少触发引入的误差。
0.1ppm的实际意义: 0.1ppm的误差主要体现在频率的长期稳定性上,而不是瞬时的边沿抖动。但晶振的相位噪声和一些内部振荡的不稳定性也会转化为我们能测量的抖动。所以,我们要测量的抖动,是晶振输出的SPDIF信号,在实际工作时,所有引起时序偏差的因素的总和。

总结一下,要测一个0.1ppm误差晶振在SPDIF信号中的抖动,你需要的不是一台普通的示波器,而是一台具备:

GHz级别的带宽
高采样率
高垂直分辨率
强大的协议触发能力(最好支持SPDIF)
以及最关键的,一套专业级的抖动分析软件套件

的高性能数字示波器。如果你只是想大致了解一下,不追求极致的精确度,那么一台带有基础抖动分析功能的几百MHz的示波器或许勉强可以作为参考,但如果要精确到“量化”0.1ppm误差在抖动上的表现,那投入肯定得跟上。

网友意见

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除了5052B小贵, 其他的都能两万刀拿下。


Phase noise analyzers – SSA (Signal Source Analyzer)

• Agilent E5052B Signal Source Analyzer with precision clock jitter analysis software, E5001A (SSA-J)


Real-time oscilloscopes

• Agilent 80000 Series Infiniium oscilloscopes with E2688A Serial Data Analysis and EZJIT+ software


** 这个示波器不错, 可以装游戏。

Equivalent-time sampling oscilloscopes – DCA

• Agilent 86100C Digital Communications Analyzer, DCA-J



Spectrum Analyzer – PSA

• Agilent E4440 series Performance Spectrum Analyzers, PSA

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