數(shù)字示波器抖動(dòng)噪聲基底和時(shí)基抖動(dòng)、垂直噪聲的關(guān)系
發(fā)布時(shí)間： 2023-08-18 瀏覽次數(shù): 作者：邁昂科技
數(shù)字示波器的抖動(dòng)噪聲基底(Jitter Noise Floor)指標(biāo)經(jīng)常被誤會和誤用，因此我們認(rèn)為有必要澄清抖動(dòng)噪聲基底指標(biāo)到底是什么含義，從而使用戶能準(zhǔn)確地評估儀器的具有的抖動(dòng)測量能力。數(shù)字示波器抖動(dòng)噪聲基底和時(shí)基抖動(dòng)、垂直噪聲有什么關(guān)系？
讓我們先直接來說明這些術(shù)語的含義吧。 抖動(dòng)噪聲基底是示波器本身對抖動(dòng)測量結(jié)果貢獻(xiàn)的整體噪聲，它經(jīng)常被標(biāo)定為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，用有效值或標(biāo)準(zhǔn)偏差值（在平均值為零時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值和有效值相同）來表示。如果抖動(dòng)噪聲基底遠(yuǎn)小于您希望測量的信號抖動(dòng)，那么示波器是您測量該抖動(dòng)的正確儀器，相反，如果抖動(dòng)噪聲基底高于您希望測量的抖動(dòng)，那么示波器就不是合適的儀器。時(shí)基抖動(dòng)（timebase jitter）是抖動(dòng)噪聲基底的一部分，它源于示波器的時(shí)基(clock)的抖動(dòng)，即輸入信號在被采樣的時(shí)間上的抖動(dòng)。
抖動(dòng)噪聲基底的另外一部分來自于示波器的垂直噪聲（vertical noise）。抖動(dòng)測量是基于信號與某閾值的交叉點(diǎn)的時(shí)刻與理想中它應(yīng)該和某閾值交叉點(diǎn)的時(shí)刻進(jìn)行比較后的結(jié)果。垂直噪聲帶來了測量的誤差，看起來是添加了更多的抖動(dòng)。誤差的大小取決于噪聲的大小以及信號在閾值位置的轉(zhuǎn)換速率（斜率）。更大的噪聲意味著更大的抖動(dòng)。更快的斜率意味著更小的抖動(dòng)。圖1說明了垂直噪聲如何轉(zhuǎn)換為抖動(dòng)。等式（1）說明了如何基于垂直噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差和信號的斜率來計(jì)算垂直噪聲帶來的抖動(dòng)。
抖動(dòng)噪聲基底是時(shí)基抖動(dòng)和垂直噪聲引起的抖動(dòng)的有效值之和。等式（2）說明了它們之間的關(guān)系。當(dāng)垂直噪聲等于零或者斜率無窮大時(shí)，抖動(dòng)噪聲基底等于時(shí)基抖動(dòng)。圖2表示了抖動(dòng)噪聲基底，時(shí)基抖動(dòng)和垂直噪聲在不同斜率時(shí)引起的抖動(dòng)之間的關(guān)系（圖表中是假設(shè)正弦信號滿柵格，信噪比為36dB）。
如前所述，抖動(dòng)噪聲基底取決于示波器的垂直噪聲，輸入信號的斜率和示波器的時(shí)基抖動(dòng)。當(dāng)比較示波器的抖動(dòng)性能時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是要理解抖動(dòng)噪聲基底或時(shí)基抖動(dòng)是否被正確地標(biāo)定了。如果對抖動(dòng)噪聲基底進(jìn)行標(biāo)定，您還需要知道垂直噪聲和相應(yīng)的信號斜率。當(dāng)決定是否可以用某款示波器測量您的DUT的抖動(dòng)，您需要計(jì)算對于您特定設(shè)置下的抖動(dòng)噪聲基底。為此，測量示波器的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差（將示波器設(shè)置為您將要測量自己的DUT的抖動(dòng)的狀態(tài)，去掉信號，測定stdev值），估計(jì)信號的斜率（有些示波器有斜率測量參數(shù)），計(jì)算垂直噪聲引起的抖動(dòng)大小。 datasheet中的抖動(dòng)噪聲基底一般是基于經(jīng)常用到的斜率/噪聲測量到的，如果由于垂直噪聲引起的抖動(dòng)大于datasheet中的值，您應(yīng)當(dāng)使用您自己的抖動(dòng)噪聲基底。
讓我們先直接來說明這些術(shù)語的含義吧。 抖動(dòng)噪聲基底是示波器本身對抖動(dòng)測量結(jié)果貢獻(xiàn)的整體噪聲，它經(jīng)常被標(biāo)定為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，用有效值或標(biāo)準(zhǔn)偏差值（在平均值為零時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值和有效值相同）來表示。如果抖動(dòng)噪聲基底遠(yuǎn)小于您希望測量的信號抖動(dòng)，那么示波器是您測量該抖動(dòng)的正確儀器，相反，如果抖動(dòng)噪聲基底高于您希望測量的抖動(dòng)，那么示波器就不是合適的儀器。時(shí)基抖動(dòng)（timebase jitter）是抖動(dòng)噪聲基底的一部分，它源于示波器的時(shí)基(clock)的抖動(dòng)，即輸入信號在被采樣的時(shí)間上的抖動(dòng)。
抖動(dòng)噪聲基底的另外一部分來自于示波器的垂直噪聲（vertical noise）。抖動(dòng)測量是基于信號與某閾值的交叉點(diǎn)的時(shí)刻與理想中它應(yīng)該和某閾值交叉點(diǎn)的時(shí)刻進(jìn)行比較后的結(jié)果。垂直噪聲帶來了測量的誤差，看起來是添加了更多的抖動(dòng)。誤差的大小取決于噪聲的大小以及信號在閾值位置的轉(zhuǎn)換速率（斜率）。更大的噪聲意味著更大的抖動(dòng)。更快的斜率意味著更小的抖動(dòng)。圖1說明了垂直噪聲如何轉(zhuǎn)換為抖動(dòng)。等式（1）說明了如何基于垂直噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差和信號的斜率來計(jì)算垂直噪聲帶來的抖動(dòng)。
抖動(dòng)噪聲基底是時(shí)基抖動(dòng)和垂直噪聲引起的抖動(dòng)的有效值之和。等式（2）說明了它們之間的關(guān)系。當(dāng)垂直噪聲等于零或者斜率無窮大時(shí)，抖動(dòng)噪聲基底等于時(shí)基抖動(dòng)。圖2表示了抖動(dòng)噪聲基底，時(shí)基抖動(dòng)和垂直噪聲在不同斜率時(shí)引起的抖動(dòng)之間的關(guān)系（圖表中是假設(shè)正弦信號滿柵格，信噪比為36dB）。
如前所述，抖動(dòng)噪聲基底取決于示波器的垂直噪聲，輸入信號的斜率和示波器的時(shí)基抖動(dòng)。當(dāng)比較示波器的抖動(dòng)性能時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是要理解抖動(dòng)噪聲基底或時(shí)基抖動(dòng)是否被正確地標(biāo)定了。如果對抖動(dòng)噪聲基底進(jìn)行標(biāo)定，您還需要知道垂直噪聲和相應(yīng)的信號斜率。當(dāng)決定是否可以用某款示波器測量您的DUT的抖動(dòng)，您需要計(jì)算對于您特定設(shè)置下的抖動(dòng)噪聲基底。為此，測量示波器的噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差（將示波器設(shè)置為您將要測量自己的DUT的抖動(dòng)的狀態(tài)，去掉信號，測定stdev值），估計(jì)信號的斜率（有些示波器有斜率測量參數(shù)），計(jì)算垂直噪聲引起的抖動(dòng)大小。 datasheet中的抖動(dòng)噪聲基底一般是基于經(jīng)常用到的斜率/噪聲測量到的，如果由于垂直噪聲引起的抖動(dòng)大于datasheet中的值，您應(yīng)當(dāng)使用您自己的抖動(dòng)噪聲基底。
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