Problembehandlung in embedded-Systemen Tipps für die Jitter-Charakterisierung

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Der Takt ist quasi der Herzschlag von eingebetteten Systemen, der die Timing-Referenzen und Synchronisation zwischen Komponenten, Subsystemen und kompletten Systemen gewährleistet. Allerdings kann ein starker Jitter bei den Taktsignalen die Systemfunktion massiv beeinträchtigen. Was tun?

Von Lee Morgan, Market Development Manager bei Tektronix UK Ltd​​​​​​.

Im Prinzip ist Jitter eine unerwünschte, zeitliche Abweichung der Signalflanken vom Sollwert. Jitter ist in eingebetteten Systemen und Kommunikationsverbindungen eine normale Tatsache. Damit die Systeme zuverlässig unter verschiedenen Bedingungen funktionieren, ist allerdings eine gründliche Jitter-Charakterisierung absolut erforderlich. 

Jitter komplett zu verstehen ist jedoch nicht einfach. Es wurde auch viel über Jitter geschrieben, was die Komplexität der davon abhängigen Timing-Fehler verdeutlicht. Glücklicherweise sind bei modernen Digital-Oszilloskopen Timing- und Jitter-Messungen fast Routine, wie die folgenden Beispiele zeigen. 

Charakterisierung von Takt-Jitter

Moderne Oszilloskope unterstützen verschiedene Messungen, die einen guten Startpunkt für die Jitter-Analyse darstellen, und um zu verifizieren, ob die Taktfrequenz der Spezifikation entspricht. Statistikfunktionen, wie zum Beispiel minimale und maximale Frequenz, sind hilfreich, um sicherzustellen, dass die Taktfrequenz innerhalb der Toleranz liegt. Und die Standardabweichung ist ein quantitatives Maß für die Frequenzstabilität. Allerdings geben Messstatistiken allein wenig Einblick in die Art der Frequenzschwankung. Mit grafischen Tools, wie Histogrammen, lassen sich mehr Informationen über die Charakteristik der verschiedenen Messschwankungen gewinnen.

In dem im Bild 1 dargestellten Beispiel wurden Frequenz- und TIE-Messungen (Time Interval Error) auf der steigenden und fallenden Flanke eines 40 MHz Taktsignals in jedem Zyklus aufgezeichnet. Diese Timing-Messungen erfolgten relativ zu einer mittleren Taktfrequenz. Die Statistiken in den Feldern auf der rechten Seite des Displays und in der Ergebnis-Tabelle im oberen Bereich des Displays sind eine Möglichkeit, um solche Schwankungen zu charakterisieren. Die Statistiken auf der linken Seite der Ergebnis-Tabelle stellen die aktuellen Werte dar, während die Statistik auf der rechten Seite einer Aufsummierung aller Aufzeichnungen über die Zeit entspricht.

Die beiden Histogramme links stellen die Frequenz- und TIE-Messwerte auf den ansteigenden Flanken des Takts dar, und geben einen Einblick in das zeitliche Verhalten der Schwankungen. In diesem Fall scheint nahezu eine Gauss-Verteilung vorzuliegen, was auf einen weitgehend zufälligen Jitter hinweist.

Die beiden Histogramme rechts stellen die Frequenz- und TIE-Messwerte an den fallenden Flanken des Takts dar. Interessanterweise unterscheidet sich die Form der beiden Histogramme der Frequenzmessungen, was eine weitere Untersuchung nahelegt.