时钟抖动定义与测量方法 _生活知道

以5G无线技术、电动汽车和先进移动设备为代表的应用大趋势正影响着全球社会，并将重塑未来的各个产业。这些大趋势为电子产品，尤其是传感器和MEMS，提供了巨大的商机。
SiTime作为MEMS时钟解决方案的领先供应商，已经出货超过20亿颗MEMS时钟器件，拥有超过90％的MEMS时钟器件市场份额. 。SiTime的使命是为5G通讯、移动物联网、汽车和工业市场的客户解决最具挑战的时钟问题。
1、抖动的定义
今天我们就来聊聊时钟抖动的定义与测量方法
抖动是时钟信号边沿事件的时间点集合相对于其理想值的离散时序变量。时钟信号中的抖动通常是由系统中的噪声或其他干扰导致的。具体因素包括热噪声、电源变化、负载条件、器件噪声以及相邻电路耦合的干扰等。
2、抖动类型
时钟信号抖动定义有多种主要如下：
周期抖动 (Period Jitter）相邻周期抖动 (Cycle to Cycle Period Jitter)长期抖动 (Long Term Jitter)相位抖动 (Phase Jitter)时间间隔误差 (Time Interval Error or TIE)
2.1 周期抖动
周期抖动是时钟信号的周期时间相对于一定数量、随机选定的理想时钟信号周期的偏差。如果我们能对一定数量的时钟周期进行测量，就可以计算出这一段时间测量窗口内的平均时钟周期以及其标准偏差与峰峰值。我们通常将标准偏差和峰峰值分别称作 RMS 值和 Pk-Pk 周期抖动。
许多已发表的文献中往往将周期抖动定义为测得的时钟周期与理想周期之间的差异，但在实际应用中，想要量化理想周期往往有困难。如果用示波器观察设定频率为 100 MHz 的振荡器的输出，测得的平均周期可能是 9.998 ns，而非理想周期的 10 ns 。因此，在实际测量中可将测量时间窗口内的平均周期视为理想周期。
2.1.1 周期抖动应用
周期抖动在数字系统中的时序冗余度计算方面非常实用。例如，在一个基于微处理器的系统中，处理器在时钟上升之前需要 1 ns的数据建立时间。如果时钟的周期抖动为 -1.5 ns，则时钟的上升沿可能发生在数据有效前，因而微处理器可能得到不正确的数据。该实例如图 1 所示。
图 1：因时钟抖动造成的数据建立时间冲突
同样，如果另一个微处理器的数据保持时间要求为 2 ns，但时钟抖动为 +1.5 ns，则数据保持时间缩短至 0.5 ns 。微处理器也会得到不正确的数据。这种情况如图 2 所示。
图 2：因时钟抖动造成的数据保持时间冲突
2.1.2 根据 RMS 抖动计算峰峰抖动
周期抖动的任意随机性表现为高斯分布，可用均方根 (RMS)完整表达，单位是皮秒 (ps) 。但是，峰峰值与计算设置和保持时间相关。下列等式是将 10,000 样本量的 RMS 抖动转换为峰峰 (Pk-Pk) 抖动：
例如，若 RMS 抖动为 3 ps ，则峰峰抖动为 ±11.16 ps。
等式 1 是利用高斯概率密度函数 (PDF) 表推导的结果。例如，如果样本量为 100，那么这些样本中的 99 个都将对分布均值的偏差在 ±2.327σ 以内，而且平均只有一个样本落在该区域以外。SiTime 依据 JEDEC 标准的规范，测量 10,000 样本量上的 RMS 周期抖动。
表 1：高斯概率密度函数
2.1.3 周期抖动测量方法
根据 JEDEC 标准 65B 的定义，周期抖动是指信号周期时间相对于一定数量、随机选定的理想时钟信号周期的偏差。JEDEC 标准进一步规定周期抖动测量的样本量应在 10,000 左右。SiTime 建议用下列流程来测量周期抖动：
1. 测量一个时钟周期的时长。请遵循接下来的步骤，以取得更准确的峰峰值；
5. 重复25 次，步骤 2 和步骤 3。记录每次运行后的峰峰值，并计算这 25 个结果的平均峰峰值。
方法 B（JEDEC 法）
1. 配置示波器，以便测量第一个时钟的周期，然后打开直方图功能（如有）；
2. 配置示波器，以便在屏幕上捕获单个时钟周期；
3. 重复上述步骤 10,000 次；
4. 记录示波器报告的平均值、标准偏差及峰峰值；
5. 平均值与标准偏差值非常准确。但是，由于峰峰值的发散特性，单组样本测量可能不准确（见 2.1.3 节）。请遵循接下来的步骤，以取得更准确的峰峰值；
6. 重复25 次，步骤 2 至步骤 4 。记录每次运行后的峰峰值，并计算这 25 个结果的平均峰峰值。
4.2.2 测量相邻周期抖动
1. 打开示波器的直方图功能（如果有）；
2. 打开示波器的 C2C 测量工具。如果示波器上没有该测量工具，则配置示波器在屏幕上捕获两个连续时钟周期；用第一个时钟周期减去第二个时钟周期，并记录差值的绝对值；
3. 重复上述步骤 1,000 次；
4. 如果示波器具备直方图特性，则记录标准偏差和峰值。若直方图特性不可用，则从这 1000个数据集计算标准偏差和峰值。峰值为数据采集中任意两个连续时钟周期的最大差值的绝对值；
5. 标准偏差值非常准确。但是，由于峰峰值的发散特性，单组样本测量可能不准确（参见2.1.3 节）。请遵循接下来的步骤，以取得更为准确的峰值；
6. 重复25 次，步骤 2 至步骤 5 。记录每次运行后的峰值，并计算平均峰值。
4.2.3 测量长期抖动
方法 A
1. 配置示波器，以便在屏幕上捕获 N+1 个时钟周期。N 是用于定义长期抖动测量中所需的时钟周期数量；
2. 设置示波器，以便测量第一个时钟的上升边沿与第 N+1 个时钟的上升边沿之间的时间；
3. 重复上述步骤 1,000 次；
4. 计算这 1,000 个样本的平均值、标准偏差及峰峰值；
5. 平均值与标准偏差值非常准确。但是，由于峰峰值的发散特性，单组样本测量可能不准确（参见 2.1.3 节）。请遵循接下来的步骤，以获得更准确的峰峰值；
6. 重复25 次，步骤 1 至步骤 4 。记录每次运行后的峰峰值，并计算平均峰峰值。
方法 B
1. 配置示波器，以便在屏幕上显示时钟周期的上升边沿；
2. 假定长期抖动测量的是N 个周期为 T 的时钟周期抖动，设置示波器触发在所显示边沿之前的 N*T 时间；
3. 打开直方图模式，根据应用要求捕获波形边沿50%门限点1,000 次或 10,000 次。对于某些示波器，可能需要手动设置波形的边沿检测定义垂直及水平门限值；请参阅示波器使用手册；
【时钟抖动定义与测量方法】4. 等待，直至直方图中记录满足目标数量的测量。一旦达到目标数量即停止捕获；
5. 设置屏幕显示为无限余晖，上升边沿显示条带的时间宽度就是长期抖动峰峰值（见图 11）；
6. 记录示波器的平均值、标准偏差及峰峰值；
7. 平均值与标准偏差值非常准确。但是，由于峰峰值的发散特性，单组样本测量可能不准确（参见 2.1.3 节）。请遵循接下来的步骤，以取得更准确的峰峰值；
8. 重复25 次，步骤 3 至步骤 4 。记录每次运行后的峰峰值，并计算平均峰峰值。
图 11：长期抖动
5、总结
SiTime的MEMS时钟产品基于突破性的MEMS和模拟技术，凭借独一无二的功能、提高30倍的性能和可靠性，以及降低50％的尺寸优势，正在彻底改变时钟器件市场。SiTime振荡器产品系列是可编程的，可针对每个客户的确切需求进行优化生成数千万个部件号。凭借MEMS谐振器，SiTime为半导体客户提供了将所有时钟器件集成到处理器和/或片上系统（SoC）的能力。
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时钟抖动定义与测量方法

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