介紹
時鐘是嵌入式系統的心跳，在組件、子系統和整個系統之間提供時序參考和同步。不正確的時鐘信號幅度和時序會妨礙可靠的數字電路操作。時鐘信號上的噪聲和時序異常會導致系統性能下降或間歇性下降，因此對時鐘信號進行全面表征是確保嵌入式系統設計可靠的關鍵步驟。
本應用筆記提供了幾個數字時鐘信號幅度和時序測量的示例，包括
幅度測量
頻率穩定性測量
基本抖動分析
高級抖動分析概述
本文檔使用5 系列 MSO 混合信號示波器來說明測量。6 系列 MSO 的工作方式相同，但具有更高的帶寬并提供更低的輸入噪聲。所示的許多測量可以使用其他示波器執行，盡管具體設置會有所不同。本應用筆記中的一些測量利用了 5 和 6 系列 MSO 的可選高級抖動分析應用程序。
此顯示顯示在 1 GHz 帶寬 5 系列 MSO 上以 12 位垂直分辨率捕獲的 40 MHz 時鐘信號。為了確保足夠的信號保真度，1 GHz 差分探頭連接到時鐘驅動器附近的測試點。由于測量系統的帶寬約為時鐘頻率的 25 倍，因此帶寬引起的測量誤差極小。
調整了示波器的精細垂直刻度，使信號填充大部分刻度（不超出頂部或底部）以優化垂直分辨率。選擇高實時采樣率以優化定時分辨率。
幅度測量
目測信號相對于標線內的水平和垂直標簽，可以確定時鐘的低電平約為 750 mV，高電平約為 2.4 V。時鐘周期約為 25 ns，對應 40兆赫。對于一些快速調試任務，這種測量精度可能就足夠了。
通過放大信號的一個周期并使用光標，可以進行更精確的幅度和定時測量。正如您在上面的顯示中所見，測量分辨率顯著提高，但測量基于波形的單個周期，如果信號隨時間變化，則可能難以進行。
自動測量算法對數字化波形使用數字信號處理。請注意，頂部和底部測量值與之前使用水平條形光標進行的測量值相似，但分辨率更高。
請注意，峰峰值測量值等于最大值和最小值測量值之間的差值，幅度測量值等于頂部和底部測量值之間的差值。
這些讀數提供了一個很好的快照，但測量值如何隨時間變化？
所有采集的測量統計數據是從第一次采集開始到當前采集的時間計算的。這對于深入了解較長時間段的穩定性很有用。
根據幅度測量的累積統計數據，您可以將測量值與時鐘驅動器的數據表和由時鐘信號驅動的組件進行比較，以驗證幅度特性是否在規格范圍內。例如：
最大值測量的最大值和最小值測量的最小值在接收器的絕對輸入電壓范圍規格內。
頂部測量的最小值大于驅動器的 V OHmin和接收器的 V IHmin規格。
Base 測量的最大值小于驅動器的 V OLmax和接收器的 V ILmax規格。
頻率穩定性測量
同樣，自動定時測量可用于提供快速水平測量。顯示屏右側測量結果標記中顯示的 μ' 值代表當前采集的平均定時測量值。
請注意，周期測量提供了與本應用筆記前面使用 V Bars 光標進行的測量類似的結果，但分辨率更高且更新速度更快。
正如預期的那樣，周期測量值等于正脈沖寬度和負脈沖寬度測量值的總和，而頻率測量值是周期測量值的倒數。
從這里，您可以將測量結果與由時鐘信號驅動的接收器組件的組件數據表進行比較，以驗證時序特性是否在規格范圍內。例如：
頻率測量的最大值和最小值在指定的時鐘頻率 (f clock ) 范圍內。
正脈沖寬度測量的最小值大于最小脈沖持續時間規格（ CLK高）。
負脈沖寬度測量的最小值大于最小脈沖持續時間規格（ CLK低）。
標準自動定時測量通過驗證時鐘頻率是否符合規范，為抖動分析提供了一個良好的起點。添加測量統計數據，例如最小和最大頻率，可以確保時鐘脈沖是連續的。標準偏差 (σ) 提供了隨時間變化的頻率穩定性的定量測量。然而，這些統計數據幾乎不能深入了解頻率變化的方式。
時間趨勢顯示頻率變化
在屏幕上方，采集時間窗口已增加到 10 μs，以增加采集中的周期數，從而增加可用周期測量的數量。下半部分的時間相關時間趨勢顯示顯示頻率測量的變化在整個收購過程中。這種時間趨勢顯示比測量統計提供了對頻率變化的更好理解，但仍然難以確定變化是隨機的還是由其他附近信號等系統因素引起的。
直方圖和頻譜圖提供更多線索
左上角的頻率測量值直方圖表明頻率的變化不是完全隨機的（不是經典的高斯曲線或鐘形曲線）。該形狀表明可能有其他信號串擾到時鐘信號。
頻譜圖顯示了大約 7 MHz 和 20 MHz 處的重要頻率分量。這些測量結果和對設計其余部分的了解可能有助于確定時鐘頻率變化的根本原因，但很難知道幾個潛在原因中的哪一個占主導地位。為此，我們需要將時序抖動分解為其組成部分。
抖動分析工具
基本 5 系列測量系統包括時間間隔誤差 (TIE) 和相位噪聲測量。TIE 量化了時鐘信號與理想信號的時間變化。可選的高級抖動分析應用程序提供對 40 MHz 時鐘信號的一鍵式分析，如上所示，包括 TIE 分析和眼圖。上方屏幕右側的測量結果標記顯示時間間隔誤差 (TIE) 的自動測量，這是一種相對于理想信號的時序測量。其他測量顯示將時序抖動分解為總抖動 (TJ)、隨機抖動 (RJ)、確定性抖動 (DJ)、周期性抖動 (PJ)、數據相關抖動 (DDJ) 和占空比失真 (DCD)。
正如從頻率測量的直方圖預測的那樣，時鐘存在系統失真。確定性抖動遠高于隨機抖動，確定性抖動主要受占空比失真支配。上方屏幕底部中心的頻譜顯示在 7.1 MHz、20 MHz 和 30.3 MHz 處顯示了顯著的抖動分量。在這種情況下，附近的 7.1 MHz 時鐘被證明是干擾源，干擾了 40 MHz 時鐘信號。
使用 Infinite Persistence 查找間歇性故障
在不同的原型板上檢查相同的電路時，我們注意到偶爾的電路故障。但是，在顯示器上查看時鐘信號時，沒有任何明顯的問題。
5 系列 MSO 提供了一種采集模式，可快速捕獲數百萬個 40 MHz 時鐘信號并將它們疊加在顯示器上。這稱為 FastAcq 模式，一旦它被激活，我們可以很快看到這個有缺陷的板上的時鐘信號有一些非常顯著的頻率變化。
FastAcq 顯示是“溫度分級”的。寬頻率變化以藍色顯示，表明它們相對罕見。
現在我們知道存在這些變化，我們可以在帶有對數 Y 軸的直方圖上繪制頻率測量值，以更好地理解這些變化。（使用對數刻度讓我們在刻度的低端看到更多細節。）
在允許超過 1000 萬次頻率測量累積后，頻率變化的真正罕見性質出現了。平均頻率非常準確，但偶爾會出現低至 35 MHz 和高至近 55 MHz 的漂移。
如果沒有這樣的統計測量技術，諸如此類的罕見異常很容易被發現。
現在我們知道頻率偶爾會降低，我們可以使用脈沖寬度觸發來捕獲異常寬的脈沖并捕獲錯誤。在此示例中，示波器設置為在大于 14 ns 的脈沖寬度上觸發，這大于標稱的 12.5 ns。顯示屏底部的頻率趨勢以圖形方式顯示高于和低于 40 MHz 理想值的頻率偏移。
對該時鐘電路的進一步分析表明，鎖相環控制器偶爾會被重置。當這種情況發生時，壓控振蕩器電路失去鎖定并暫時偏離正確的頻率。