Jitter und Histogramm Messungen am LC684DXL 1.5GHz Oscilloscope
LeCroy LC684DXL Quad Channel 1.5GHz Oscilloscope
| Das Gerät hat umfangreiche
mathematische Funktionen und die Software Option JPRO, diese gilt es zu
betrachten. Man lernt so die Bedienung besser kennen. Dies zu tun bevor man sie
benötigt ist sinnvoll, man erspart sich langwierige
Einlernphasen zu dem Zeitpunkt wenn man eine tatsächliche Messung
durchführen möchte und dann dafür keine Zeit hat. Anmerkung: ich bin Anfänger auf dem Gebiet der Jitter Messungen und messe das zum ersten Mal. Manches von dem was ich schreibe kann falsch sein oder ist aus Halbwissen zusammengesetzt. Bitte beim Lesen mein begrenztes Wissen zu diesem Thema berücksichtigen. In meiner Hochschule wurde es nicht gelehrt und meine bisherigen Arbeitgeber hatten keine Oszilloskope mit solchen Software Optionen. Ich beschäftige mich daher am eigenen Gerät damit. |
Messungen am SRB Signalgenerator
zwei Geräte aus verschiedener Zeit
| Der SRB
ist ein einfach zu bedienender analoger Röhren
Sinusgenerator, zuverlässig, vernünftige
Signalqualität mit max. 1 MHz Frequenz. Er kann kleine Spannungen, sowie bis max.
ca. 60 Vpkpk liefern. Hohe Spannungen sind für die meisten
modernen Generatoren ein Fremdwort, diese Eigenschaft macht ihn auch
heute noch wertvoll im Labor. Hinzu kommt die Freude an den
glühenden Röhren und an der mechanischen
Drehqualität der Frequenzverstellung.
Frequenzstabilität dieser analogen Schaltung:
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1 MHz Amplitude 240mV.
55972 gezählte Bildschirminhalte für das Histogramm. Jeder Bildschirminhalt hat zwei Perioden. 55972 * 2 = 111944 Perioden zur Histogramm Bildung. 111944 Perioden * 1µs = 111.9ms, Zeitdauer der Analyse. 111.9ms sind nur die reine analysierte Signalzeit, die tatsächliche Zeitdauer für diese Messung war deutlich länger. Nach jedem Bildschirmdurchlauf muss das Oszilloskop Frequenz berechnen und anschließend das Histogramm neu aktualisieren. Diese 111.9ms sind nur ein ganz kleiner Bruchteil von der gesamten Messzeit. Das Histogramm ist horizontal aufgeteilt mit 1kHz/DIV und vertikal mit 0.5k#/DIV. Das # steht für eine Berechnung eines Wertes. Der höchste Balken hat ca. 8.8DIV#, das bedeutet 8.8DIV*0.5k/DIV=4400 Frequenzmessungen liegen innerhalb dieses Intervalls. Kleinste Frequenz "low(D)" =1.02035 MHz. Höchste Frequenz "high(D)" = 1.03015 MHz. Differenz "high(D)" - "low(D)" = "range(D)" = 9.8kHz. 9.8kHz/2=4.4 kHz sind ein Maß für die maximal aufgetretene Frequenzmodulation. In 111944 analysierten Schwingungen war diese Frequenzänderung um 4.4 kHz nur ein sehr seltenes Ereignis, deren Häufigkeiten sich am Rande des Histogramm befindet. Auffallend sind die Frequenzhübe, deren Häufigkeit signifikant über die Normalverteilung hinaus vergrößert sind. Die schaltungstechnische Analyse solcher Beobachtungen gestaltet sich beliebig kompliziert, vielleicht moduliert hier eine periodische Störgröße mit einer Regelmäßigkeit die Sollfrequenz. |
SRB Frequenz geändert auf 918kHz
| Versuchsweise wurde die Frequenz des SRB abgesenkt auf 918kHz, es enstehen ähnliche Musterformen wie mit 1 MHz. |
9304A Probe Cal Buchse am LC684DXL
Probe Calibration Buchse des 9304A angeschlossen am LC684DXL
| Die Probe Calibration Buchse ist
eingestellt auf 2 MHz, wir sehen ein normalverteiltes Histogramm. |
Zeitfunktion + Histogramm
| Das gleiche Probe Cal Signal mit noch
längerer Messdauer, gemessen über viele Minuten.
Darstellung mit 1000 Messungen/DIV und unveränderten
500Hz/DIV. Eine Verteilung ohne Ausreißer, nur die kleine
Überhöhung unten auf der linken Seite. |
Type AXEL HUCHT Frequenznormal
| Hier ein GPS
diszipliniertes 10 MHz Frequenznormal des Entwicklers Axel Hucht. Es
hat in Innern einen VCXO, dessen Frequenz über eine GPS Antenne
auf präzisen 10 MHz geregelt und zuätzlich auf einer
konstanten
Temperatur geregelt wird. Die Regelung erfolgt digital und ohne Software. Ein Akkumulator überbrückt einen Netzausfall bei einem Transport, nach einem Transport ist für einige Stunden die höchste Genauigkeit hinüber und das sollte vermeiden werden. Der Stromverbrauch ist bescheiden gering im unteren Wattbereich. Der GPS Empfang ist auch hinter einer Fensterscheibe ausreichend stark - eine durchdachte Konstruktion ohne unnötige Dinge. Ich habe diesen Eigenbau im Auktionshaus erstanden, keiner hat geboten, die Qualität dieses Aufbaus, die präzise Artikel Beschreibung und die technischen Eigenschaften überzeugten mich - ein Kauf der mich immer noch erfreut - ein Kompliment für die technische Qualität an den Entwickler. Es ist ein Prototyp, ein Vorgängertyp seiner späteren Entwicklungen. |
| Im Single Shot Modus bei
4GS/s zeigt der Oszillator die 10 MHz. Die Ch2 Amplitude soll möglichst auf den gesamten ADC Range verteilt sein
um den Signal Rauschabstand bestmöglich zu halten. Das Oszilloskop
hat eine
Menü Taste was die Eingangs-Amplitude automatisch
maximal skaliert, hier auf 80mV/DIV. Mittelwert der Frequenz 10.0004 MHz. Unter der Annahme der Oszillator hat präzise 10 MHz, ist die gemessene Abweichung 0.0004 MHz. |
| Das gleiche 10 MHz Signal gemessen
im Random Sampling Mode mit 25 GS/s. Im Vergleich,
die 10 MHz Amplitude hebt sich noch weiter ab. Ich weiß nicht wie diese Unterschiede zu erklären sind, ob es
alleinig an der erhöhten Abtastrate liegt oder mit der Methode des
Random Sampling zusammen hängt? Hier Fragen : Die Messungen von Axel mit seinen Modulation Domain Spezialmessgeräten zusammen an einer höchststabilen Referenzquelle lieferte bessere Werte. Die damit gemessene Standardabweichung lag bei 278µHz und der Peak-to-Peak bei 2mHz. Das Sigma hier ist höher als der Wert den Axel gemessen hatte. Ich verstehe zum jetzigen Zeitpunkt nicht ob hier falsch gemessen wurde, ein Verständnisproblem oder ob bereits die Messgrenze des Oszilloskopes erreicht ist. Als dieses Oszilloskop neu gekauft wurde, verzichtete man leider auf die Option zum Anschluß einer externen Frequenz-Referenz auf der Rückseite. Wie man die Cal-Buchse auf der Front Seite als externen Trigger Eingang genauigkeitssteigernd mit in die Messung integrieren kann - die Nutzung dieser Möglichkeit habe ich noch nicht verstanden - soweit bin ich noch nicht. Spekulationen:
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Cycle-to-Cycle Jitter des 10 MHz Normal
| Rot 10 MHz Signal über einen Zeitraum von 2ms bei voller Speicherausnutzung und
maximal möglicher 4GS/s Sample. (Anmerkung: der 1 Kanal AP096 Adapter
würde hier 8GS/s ermöglichen). Jede blaue Nadel zeigt den Cycle-to-Cycle Jitter, die Zeitdifferenz von der letzten Periode zur nächsten Periode. Hier muss das Oszilloskop für jede Schwingung in dieser langen Zeitbasis die Periodendauer berechnen und miteinander vergleichen. Im Mittel beträgt der Cycle-to-Cycle Jitter nur etwa 3ps. Alle Messungen sind stets die Summe aus Oszilloskop und Quelle. Das ist eine der Messungen, bei der man nie genug Sample Rate bei gleichzeitig hoher Speichertiefe haben kann. Eine hohe Sample Rate sorgt für die hohe Auflösung der Zeitmessung, eine hohe Speichertiefe hält das Signal für einen langen Zeitraum ohne Messunterbrechung betrachtbar, was das Erkennen eines niederfrequenteren Jitters ermöglicht. Wenn man sich die Broschüren der aktuellen Hochleistungsoszilloskope betrachtet, dann sind diese in allen Bereichen noch leistungsfähiger geworden, aber es ist beachtlich was dieses Gerät Baujahr 1999 bereits leistet. |
| Hier wird nur ein einzelner
Cycle/Bildschirm ausgewertet, das ist die einzelne orange-farbene
Schwingung in der Bildmitte. Persistance
Mode mit unendlicher Nachleuchtzeit. Im oberen Graph der Cycle-to-Cycle Jitter aus 2221 Sweeps. Der Großteil aller Abweichungen liegt unterhalb 10ps (helles Feld), ein paar Ausreißer, ein paar schwarze Linien größer als 20ps. |
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Das Cycle-to-Cycle PhistV(A) Histogramm.
Blick "von der Seite" auf die
farbige Persistance Darstellung des
oberen Cycle-to-Cycle Diagramm, daraus ein Histogramm
"PhistV(A)" gebildet.Höchste Cycle to Cycle Abweichung +48.5ps und -50.7ps bei 36 Millionen Messungen. Standard Abweichung vom Mittelwert 12.85ps. Periodendauer einer 10 MHz Schwingung beträgt 100000ps, mittlere Abweichung davon 12.85ps. 100000ps/1E6 = 0.1ps = 1ppm 128.5ppm Cycle-to-Cycle Jitter Standard Abweichung, Summe aus Oszilloskop und Quelle. 10 MHz entsprechen 0,000.000.1 Sekunden Periodendauer 100ns + 12,85 ps = 100,01285ns 10.000.000 Hz - 9.998.715,165 Hz = 1284 Hz, entspricht wieder der Standardabweichung. |
| Alles in einem
Diagramm dargestellt, eine leistungsfähige grafische
Darstellungsart. |
| ohne eingeblendeten Parametersatz. |
SRB Signal mit Persistance Histogramm
| Hier ein SRB Signal mit vertikalem
Persistance Histogramm. Zeigt eine ähnliche Kurvenform wie die SRB
Messungen mit periodischen Ausreißern für
bestimmte Cycle-to-Cycle Änderungen. |
| Aus 41 Segmente von 2ms bildung eines Cycle-to-Cycle Jitter Diagramm und im unendlichen Persistance Mode
übereinander gelagert. Vertikales "PhistV(A)" Histogramm gebildet aus 308 Millionen (308.240.269) Cycle-to-Cycle Messungen. Man sieht vereinzelt auftretende schwarze Punkte, die teilweise sogar in das untere Diagramm hineinreichen. Das ist eine messtechnische Stützung der Behauptung "wenn man länger wartet, dann komm irgendwann ein größerer Ausreißer". Das Oszilloskop bildet hier fortlaufend das Histogramm und erneuert es nach jedem Bildschirmdurchlauf. Wer möchte kann dieses Spiel über Stunden durchführen, ändern wird sich an der Hüllkurve des Histogramm nicht mehr viel, irgendwann hat die Messung eine maximale Stabilität erreicht, wenn man dann noch viel länger messen würde, dann würde sich das Bild wieder verfälschen. Anmerkung dazu: eine unendliche Ausmittelung zufälliger Größen ist in der Praxis nicht möglich, da andere sehr niederfrequente Effekte (z.B. ein Temperaturgang, oder andere langsame Driftgrößen, Alterung) den lange gemittelten Messwert wieder mit einer langsamen Drift modulieren. Langzeit Mittelwert Bildungen sind nur solange sinnvoll, bis eine andere langsame Drift eine größere Wirkung erreicht als die zu mittelnde Größe. |
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Cycle-to-Cycle Jitter des SRB.
Mit diesem Jitter-Signal, das wie ein
Rauschsignal aussieht, läßt sich noch weitere
Signalverarbeitung durchführen, z.B. eine FFT. Beginnend bei 500 kHz setzen sich im 1 MHz
Raster die Frequenzen der "Jcy-cy(2)" Messung fort. Warum das Spektrum hier bei 500 kHz (der halben Signalfrequenz) anfängt ? Die Interpretation des blauen Signals ist nicht einfach und erfordert Übung. Es zeigt welche Jitterwerte in periodischen Abständen erscheinen. Da auch die Sample Rate des Oszilloskop endlich ist, können auch Anti-Aliasing Effekte und Muster entstehen, deren eindeutige Erkennung in der Modulation Domain meinen derzeitigen Wissenstand übersteigt. Warum der Nullpegel des Kanal "C" Signals weit oberhalb der Signalanteile liegt ? Wenn man hingegen die spezielle Jitter-FFT-Funktion aus dem Menü Jitter-Wizard benutzt ist der Nullpegel der Jitter-FFT korrekt dargestellt. Der Jitter-Wizard ist ein Extra Menü, das Jitter Messungen für den Anwender vereinfacht, am Oszilloskop werden die notwendigen Settings der Kanäle automatisch eingestellt, funktioniert ganz praktisch. |
3 MHz OCXO Quartz als Signal
| Ein beheizter 3 MHz Quartz als Signalquelle. Versorgt mit 15V, ca.
120mA Dauerstrom im thermisch eingeschwungenen Zustand auf dem Tisch liegend. |
| Messung des 3MHz Quartz
lief ungefähr eine halbe Stunde. Kein Cycle-to-Cycle Jitter
überschreitet 4ns. |
10 kHz ultra low distortion Sinus Generator
| Ultra low distortion 10 kHz Sinusgenerator, eingestellt auf ca. 200mV Amplitude, bei dieser Amplitude ist er über einen langen Zeitraum Amplituden stabil ohne Abriss - das Histogramm wäre sonst unbrauchbar. Bei 200mV ist er noch sehr klirrarm, die besten Werte erreicht er bei ein paar Volt, dort neigt jedoch die Amplitude manchmal zum Aussetzen. |
| Messung
dauert ungefähr ein halbe Stunde. Abtastrate wurde beschränkt
(wäre noch schneller möglich) was aber die Rechenzeit stark
verlängert hätte. Bei 100MS/s * 100µs Periode = 10k je
Periode, das ist ausreichend genaue Zeitauflösung. |
| 10kHz ultra low distortion | 3MHz OCXO | 1MHz SRB Röhrengenerator | 10MHz GPS Normal |
| sigma cy-cy 229.8ns | sigma cy-cy 892ps | sigma cy-cy 2.1ns | sigma cy-cy 12.85ps |
Low Cost Arbitrary Waveform Generator
| Ein
low cost Arbitrary Waveform Generator eingestellt auf 100kHz Rechteck.
Durch die limitierte Bandbreite mangelt es ihm in bei 100kHz
Rechtecken an Oberwellen. Benutzt werden 8 Millionen Speicherpunkte bei 4G/s Abtastrate. 10µs Periodendauer * 4GS/s = 40000 Abtastwerte / Rechteckperiode (das ist genug Auflösung um den Cy-Cy Jitter genau genug auszurechnen.) (Auflösung pro Periode = 10µs/40000 = 250ps) 2ms im Bildschirm dargestellt = 2ms/10µs = 200 Perioden/Bildschirm 40000Abtastwerte/Periode * 200Perioden/Bildschirm = 8M Abtastwerte/Bildschirm Bei solchen Messungen ist es wichtig sich solche Dinge stets kurz zu verifizieren ob die Messung zeitlich sinnvoll eingestellt ist. |
| Messung
dauert ungefähr ein halbe Stunde. Standardabweichung des Cyc-Cyc
Jitter 9.96ns. |
| 100kHz low cost AWG | 10kHz ultra low distortion | 3MHz OCXO | 1MHz SRB Röhrengenerator | 10MHz GPS Normal |
| sigma cy-cy 9.96ns | sigma cy-cy 229.8ns | sigma cy-cy 892ps | sigma cy-cy 2.1ns | sigma cy-cy 12.85ps |
Low Cost Arbitrary Waveform Generator mit Nutzung der Ringspeicher Funktion
| Mit
der Arbitrary csv Funktion werden hier nun 128 Stück 0 und 1
eingelesen, das Zeit Intervall ist auf kürzest mögliche Zeit
eingestellt, so dass sich 630 kHz ergeben. Der Ringspeicher läuft
im Kreis herum, am Ende beginnt er wieder von vorne., nach der letzen 0
kommt vorne wieder eine 1, also ein fließender periodischer
Neubeginn. |
| Messung
dauert ungefähr eine halbe Stunde. Das entstehende Muster ist
periodisch. Ein zeitlich lückenloser Übergang vom Ende zum
sich wiederholenden Anfang
des Speichers wird vom low cost Generator nicht perfekt beherrscht. Es
ensteht ein max. Cy-Cy Jitter von 95ns im 128er Ringspeicher. Bei
interner Rechteckfunktion waren es 9.96ns Cy-Cy und es ist kein Jitter
Muster erkennbar. Der Generator ist in diesem 128er Ringspeicher Modus für Aufgaben mit hoher Periodenkonstantheit nicht geeignet, das periodisch erkennbare Jitter Muster muss der Anwender auf seine Folgen in der Applikation beurteilen. Für die meisten Anwendungen ist solch ein Jitter Muster unbedeutend. Warum das im Generator so entsteht mag dahin gestellt sein, Tatsache ist mit diesem Oszilloskop lassen sich solche Ungenauigkeiten darstellen. Mit einem Speicheroszilloskop ohne Jitter Funktionen würde man solche Vorgänge nicht entdecken. |
Zusammenfassung und Erkenntnisse
| Es ist beachtlich was in diesem Gerät aus dem Jahr 1999 steckt. Die gezeigten
Messungen sind nur ein Teil der möglichen Messungen.
Die Jitter und Histogramm Messungen sind noch erweiterbar auf zwei
Messkanäle gleichzeitig, so lassen sich beispielsweise ein Clock
Signal als Referenz anlegen und der Jitter des Datenstrom dazu
gemessen. Bei den Messungen mit voller Speichertiefe muss man ein wenig warten bis zur Ergebnisanzeige, die hohe Anzahl der Rechenoperationen vermag dies zu entschuldigen. Die aktuellen Hochleistungsgeräte Geräte haben schnellere Hardware, bei denen die Messungen dann flüssiger von statten gehen. Generell würde ich wenn ein Oszilloskop-Neukauf zur Disposition steht darauf achten, ein Gerät anzuschaffen mit solchen Optionen und entsprechender Leistungsfähigkeit der Sample Rate und der Speichertiefe. Es lassen sich nicht nur Generatoren auf Stabilität beurteilen, es existieren noch viele weitere Möglichkeiten z.B:
Bei analogen Oszilloskopen erkennt man bei Jitter Signalen nur ein undefiniertes "Herum-Springen" des Strahls auf der CRT, wenn man es überhaupt sieht, man sieht generell nur den Jitter innerhalb eines Strahldurchlaufs. Bei digitalen Oszilloskopen ist man ohne auf dem Gerät speziell installierte Software auch nicht in der Lage Jitter sinnvoll darzustellen oder leicht die messtechnischen Größen zu bestimmen. Ja korrekt, "man könnte sich den Speicherinhalt auf einen PC laden" und mit einer PC basierten Jitter Software bearbeiten oder die Berechnungen selber programmieren. Aber das wäre ein mühseliger Vorgang im Umgang mit riesigen Datenmengen, die dazu auch noch ständig neu eingelesen werden müssten. Selbst wenn man die Oszilloskop Steuerung automatisieren würde, alleine die Datenübertragung über die Schnittstellen kostet viel Zeit. Der Bericht und die Messungen haben mich einen ganzen Samstag und den halben Sonntag beschäftigt. Das was man sich selbst in Ruhe Stück für Stück erarbeiten kann, kann von Lehranstalten nur erschwert erbracht werden - dazu fehlt dort schlichtweg die Zeit, was den Erfolg behindert und den Spaß vermindert. Der Drang der Institute eine maximale Menge an Stoff in kürzester Zeit abzuhandeln ist der Sache nicht förderlich. Das Selbststudium der reinen Sache wegen lehrt:
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