Visualisation de l'impact de la gigue sur l'émetteur sur les bus auto-cadencés, tels que CAN, avec oscilloscope Tektronix.

Comment caractériser et résoudre les problèmes de gigue sur les systèmes embarqués






  • Les horloges fournissent des références temporelles et une synchronisation entre des composants, des sous-systèmes et des systèmes.
  • Une gigue (jitter) excessive dans les signaux d’horloge peut considérablement dégrader le fonctionnement du système.
  • Dans cet article, Tektronix explique comment caractériser et vérifier la gigue avec un oscilloscope. 

 

Par Lee Morgan, Tektronix

 
Fondamentalement, l’on appelle gigue (ou jitter) toute déviation indésirable du timing du bord du signal par rapport à où il devrait être. La gigue est un fait incontournable dans la conception de systèmes embarqués et de liens de communication. En tant que tel, pour que les systèmes fonctionnent de manière fiable dans les conditions les plus variées, une caractérisation détaillée de la gigue est nécessaire.

Les âmes sensibles ne peuvent pas imaginer tout ce qu’il y a à savoir sur la gigue. Des volumes entiers ont été écrits à ce sujet, ce qui trahit la complexité associée aux erreurs de synchronisation. Heureusement, les oscilloscopes numériques modernes prennent des mesures de synchronisation et de gigue presque routinières, comme le montrent les exemples ci-dessous.

Caractérisation de la gigue de l’horloge

Les oscilloscopes modernes prennent en charge une gamme de mesures qui constituent un bon point de départ pour analyser la gigue et vérifier que la fréquence d’horloge répond au cahier des charges. L’utilisation de fonctions statistiques de mesure, telles que la fréquence minimale et maximale par exemple, est utile pour s’assurer que la fréquence d’horloge est dans les tolérances, tandis que l’écart type fournit une mesure quantitative de la stabilité de fréquence. Cependant, les statistiques de mesure en elles-mêmes donnent peu d’indications sur la manière dont la fréquence varie. C’est là que les outils graphiques tels que les histogrammes de mesure viennent donner plus d’informations sur les caractéristiques des différentes variations de mesure.

Dans l’exemple représenté en Figure 1, des mesures de fréquence et d’erreur d’intervalle de temps (TIE) ont été effectuées sur les fronts montants et descendants de chaque cycle de chaque acquisition d’un signal d’horloge à 40 MHz. Ces mesures de synchronisation ont été faites par rapport à la fréquence d’horloge moyenne dans l’acquisition. Les statistiques dans les cases à droite de l’écran et dans le tableau des résultats en haut de l’écran permettent de caractériser les variations. Les statistiques à gauche du tableau des résultats représentent l’acquisition actuelle, tandis que les statistiques à droite représentent l’accumulation de toutes les acquisitions réalisées au fil du temps.

Les deux histogrammes à gauche représentent les valeurs de fréquence et de mesure de TIE sur les fronts montants de l’horloge pour un aperçu des variations temporelles. Dans ce cas, les distributions semblent plutôt gaussiennes, ce qui laisse penser que la gigue est essentiellement aléatoire.

Cependant, les deux histogrammes sur la droite représentent les valeurs de fréquence et de mesure de TIE sur les fronts descendants de l’horloge. Fait intéressant, la forme de l’histogramme des mesures de fréquence semble être significativement différente, ce qui suggère la nécessité d’une étude plus approfondie.

 

Mesure de gigue avec un oscilloscope à signaux mixtes Tektronix de Série 5 MSO 2 GHz.

Figure 1. La forme inhabituelle de l’histogramme pour le front descendant des mesures de fréquence suggère un problème potentiel. Cette mesure a été effectuée avec un oscilloscope à signaux mixtes Tektronix de Série 5 MSO 2 GHz.
 

Le dépannage et la caractérisation de la gigue requièrent un aperçu du type de gigue qui peut entraîner des variations de synchronisation. Comme le montre la Figure 2, la gigue temporelle peut être décomposée en plusieurs composantes, fournissant ainsi des indices sur la cause fondamentale des problèmes et permettant de déterminer si plusieurs horloges et circuits d’un système se comportent comme prévu.

 

La gigue et ses composantes.

Figure 2. La gigue et ses composantes.
 

Continuons avec l’exemple d’horloge à 40 MHz représenté en Figure 1. Le résultat de mesure récapitulatif de gigue présenté en Figure 3 comprend un diagramme de l’œil du signal, des graphiques montrant l’histogramme et le spectre de la mesure de TIE et une décomposition de la gigue en composantes individuelles. À première vue, l’œil ouvert dans le diagramme de l’œil suggère que le signal d’horloge a une instabilité assez faible. En effet, la valeur de mesure de la gigue totale (TJ@BER) d’environ 554 ps est d’environ 2,2% de la période d’horloge de 40 MHz. La décomposition de la gigue montre que la composante de gigue aléatoire (RJ) est une très petite partie de la gigue totale.

Par conséquent, la gigue déterministe (DJ) doit être l’élément dominant. La nature bimodale de l’histogramme de TIE suggère également une forte composante de gigue déterministe. La DJ est décomposée en gigue périodique (PJ), gigue dépendante des données (DDJ) et distorsion du rapport cyclique (DCD).

La PJ représente environ le quart de la gigue. Il y a des composantes spectrales claires dans le diagramme de spectre de TIE, ce qui indique des pics forts à 7, 17 et 32 MHz, ce qui suggère que la gigue comporte une gigue déterministe non corrélée significative, peut-être causée par une diaphonie sur le circuit ou dans le FPGA. S’agissant d’un signal d’horloge plutôt que d’un signal de données, la DDJ est nulle. La DCD représente également environ un cinquième de la gigue totale, ce qui suggère que le circuit de mise en forme de l’horloge mérite d’être analysé et optimisé.

 

Analyse de gigue avec un oscilloscope Tektronix.

Figure 3. Une analyse plus approfondie suggère que le circuit de mise en forme de l’horloge peut nécessiter d’autres analyses et optimisations dans cet exemple d’horloge à 40 MHz.
 
Qu’est-ce qui peut se passer d’autre dans le système ? Pour le découvrir, la prochaine étape consiste à regarder une autre horloge dans le système, dans ce cas une horloge à 1,25 MHz. Comme le montre la Figure 4, ce signal présente des caractéristiques de gigue différentes. De l’œil ouvert dans le diagramme de l’œil, il apparaît que la gigue sur le signal d’horloge est faible, constat qui est vérifié par la valeur de mesure TJ d’environ 4,4 ns qui est inférieure à 0,55% de la période d’horloge. La décomposition de la gigue montre que la composante RJ est une très petite partie de la gigue totale. La PJ est également relativement petite, et il n’y a pas de composantes spectrales claires dans le graphique du spectre de TIE, ce qui indique que la gigue sur le signal n’est pas significativement liée à des composantes DJ non corrélées.

 

Mesure de gigue sur une horloge à 1,25 MHz avec un oscilloscope Tektronix.

Figure 4. La gigue sur cette horloge à 1,25 MHz ne provient pas de composantes DJ non corrélées.
 
Armée de cet indice, la Figure 5 montre un affichage de persistance du signal d’horloge, où les larges fronts descendants du signal montrent clairement que le rapport cyclique varie de manière significative. Si le système embarqué utilise le front montant de l’horloge, cette variation du rapport du cycle de service peut ne pas poser de problème. Cependant, si certains circuits dépendent du front montant et que d’autres utilisent le front descendant, cette instabilité peut tout à fait entraîner un comportement incorrect ou non fiable du système.

 

Mesures de variations du rapport cyclique sur les fronts descendants d'horloge à 1,25 MHz avec oscilloscope Tektronix.

Figure 5. Les variations du rapport cyclique sont visibles sur les fronts descendants de l’horloge à 1,25 MHz.
 
Caractérisation de l’horloge à spectre étalé

L’exemple suivant d’analyse d’horloge dans cette conception est un affichage du domaine temporel à persistance infinie d’une horloge à 98 MHz. Comme le montre la Figure 6, la mesure de fréquence varie dans le temps d’environ 97 MHz à environ 100 MHz, et la période d’horloge varie, comme indiqué par le maculage horizontal dans la forme d’onde à l’écart du point de déclenchement.

 

Affichage dans le domaine temporel de la période d'horloge à 98 MHz avec oscilloscope Tektronix.

Figure 6. La période d’horloge varie dans cet affichage du domaine temporel à persistance infinie de l’horloge à 98 MHz.
 
L’ajout de statistiques de mesure pourrait aider à quantifier la variation de la fréquence et aider à vérifier que la fréquence de l’horloge correspond aux spécifications de conception, mais cela n’aiderait pas à comprendre comment varie la fréquence. Dans ce cas, le signal est une horloge à spectre étalé où la fréquence est modulée intentionnellement. Mais la conception fonctionne-t-elle comme prévu ?

Comme le montre le résumé de la gigue en Figure 7, les variations de fréquence attendues sont dominées par la PJ, ce qui est reflété dans le tableau des résultats de mesure en haut de l’écran et dans l’histogramme de TIE en forme de selle. La TIE causée par la modulation peut être visualisée dans la tendance temporelle orange en bas à droite de l’écran.

 

Caractérisation de la gigue d'une horloge à spectre étalé à 98 MHz avec oscilloscope Tektronix.

Figure 7. Ceci montre la caractérisation de la gigue d’une horloge à spectre étalé à 98 MHz.
 
À partir de la forme d’onde de tendance temporelle de TIE et des mesures du curseur sur les pics du spectre de TIE au milieu de l’écran, la vitesse de modulation est d’environ 39 kHz. La forme du spectre, dominée par des harmoniques impaires avec des amplitudes décroissant rapidement, suggère que la modulation est probablement une forme d’onde carrée ou triangulaire. Mais la TIE est l’intégrale du signal de modulation actuel, ce qui conduit à la conclusion que l’horloge à spectre étalé est probablement modulée avec une onde triangulaire de 39 kHz.

Cette théorie peut être vérifiée en examinant la mesure de fréquence et en traçant l’histogramme de mesure, le spectre et la tendance temporelle, comme le montre la Figure 8. Avec les mesures du curseur sur le spectre, on peut voir que la modulation est en effet une onde triangulaire de 39 kHz. L’histogramme de mesure est plat de 97 à 100 MHz, comme prévu, et la tendance temporelle fournit une autre vue de la même modulation.

 

Caractérisation de la mesure de fréquence d'une horloge à spectre étalé à 98 MHz avec oscilloscope Tektronix.

Figure 8. La caractérisation de la mesure de fréquence d’une horloge à spectre étalé à 98 MHz confirme une onde triangulaire de 39 kHz.
 
Mesures de gigue de bus série à basse vitesse

La gigue affecte également les performances des bus série, y compris les bus à auto-synchronisation. La Figure 9 montre l’analyse d’un signal de bus CAN différentiel de 500 kb/s sur l’émetteur. Des techniques de mesure similaires peuvent être utilisées sur d’autres bus série, à l’émetteur et au récepteur.

 

 Visualisation de l'impact de la gigue sur l'émetteur sur les bus auto-cadencés, tels que CAN, avec oscilloscope Tektronix.

Figure 9. Cela montre l’impact de la gigue sur l’émetteur sur les bus auto-cadencés, tels que CAN.
 
La première étape de cette analyse consiste à récupérer un signal d’horloge à partir du signal de données série. Dans ce cas, l’oscilloscope effectue une récupération d’horloge en utilisant une boucle à verrouillage de phase (PLL) avec une bande passante de boucle étroite pour rester verrouillé entre les rafales de données. Cette horloge récupérée est ensuite utilisée comme référence pour l’analyse de gigue.

La décomposition de la gigue montre que la majorité de la gigue totale de l’émetteur est due à la gigue dépendante des données (DDJ), et que les composantes aléatoires et dépendantes du rapport cyclique sont très petites. Il y a aussi une composante PJ considérable qui semble être liée à la modulation d’amplitude du signal au début de chaque rafale de données (mais non liée aux bits de données individuels), qui est visible dans le diagramme de l’œil et dans l’affichage du domaine temporel.

Mesures de gigue de données synchronisées

Le dernier exemple d’analyse de gigue est sur un circuit logique synchrone. Contrairement aux exemples précédents, ce circuit a un signal d’horloge explicite, donc les mesures de gigue sont faites sur le signal de données cyan sur le canal 2 par rapport au signal d’horloge jaune sur le canal 1, comme indiqué en bas à droite de la Figure 10.

 

Analyse de la gigue d'un circuit logique synchrone avec oscilloscope Tektronix.

Figure 10. L’analyse de la gigue d’un circuit logique synchrone montre comment la distorsion du rapport cyclique sur le circuit d’horloge affecte d’autres circuits dans un système.
 
La fréquence d’horloge est de seulement 1,25 MHz et les traces de la carte de circuit imprimé sont courtes, de sorte que les signaux sont assez propres, comme indiqué par la gigue aléatoire faible et le large motif en œil. Étant donné que ce circuit utilise un signal d’horloge séparé, la gigue ne dépendra généralement pas des données.

Dans ce cas, la gigue semble être dominée par la distorsion du cycle de service. Une analyse plus poussée du circuit montre que l’horloge de ce circuit a été dérivée de l’horloge qui apparaissait en Figure 5. Ce n’est pas une coïncidence si une part importante de la gigue totale de ce circuit est due à la distorsion du rapport cyclique du signal d’horloge.

 

À propos de l’auteur
Lee Morgan est responsable du développement des marchés chez Tektronix UK Ltd. Il est spécialisé dans les secteurs de l’embarqué, de l’énergie et de l’automobile. Avec plus de 18 ans d’expérience dans le secteur des tests & mesures, après avoir occupé différents postes dans l’industrie des télécommunications mobiles, l’électronique et l’énergie, il a une parfaite compréhension de la façon dont les équipements modernes de test et mesure peuvent aider les ingénieurs d’aujourd’hui à mettre au point les produits de demain.