GBT 43024.2-2023 压电、介电和静电振荡器的测量技术 第2部分：相位抖动测量方法（正式版）

GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017压电、介电和静电振荡器的测量技术第2部分：相位抖动测量方法2023-09-07发布国家市场监督管理总局1GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017 12规范性引用文件 3术语和定义 14测量和测量程序 24.1概述 24.2相位抖动测量方法 24.3测量系统的输入输出阻抗 64.4测量设备 64.5测量夹具 6 65测量与测量环境 75.1测量前的设置 75.2测量中的注意事项 75.3测量后的处理 7 76.1基准温度 76.2温度特性的测量 76.3振动状态的测量 76.4冲击状态的测量 76.5加速老化的测量 77其他注意事项 88其他 8附录A(资料性)相位抖动计算方法 9A.1概述 9A.2说明 9A.3相位噪声与相位抖动的关系 9A.4关于相位抖动理论来源的介绍 A.6测量要点 参考文献 图1用采样示波器测量相位抖动 2图2ITU-TO.172推荐的抖动与漂移分析仪框图 4ⅡGB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017图3等效框图 图A.1单边带相位噪声概念图 图A.2电压-时间的关系 图A.3均方根抖动示意图 图A.4随机抖动、确定性抖动和总抖动示意图 ⅢGB/T43024.2—2023/IE本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T43024《压电、介电和静电振荡器的测量技术》的第2部分。GB/T43024已经发布——第2部分：相位抖动测量方法。本文件等同采用IEC62884-2:2017《压电、介电和静电振荡器的测量技术第2部分：相位抖动测请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国工业和信息化部提出。本文件由全国频率控制和选择用压电器件标准化技术委员会(SAC/TC182)归口。本文件起草单位：河北博威集成电路有限公司、北京晨晶电子有限公司、唐山国芯晶源电子有限公司。IVGB/T43024.2—2023/IE晶体振荡器作为一种高精度的振荡频率源，广泛应用于电子设备、通信系统、测量设备和时钟领域。近来，电子系统的数字化快速发展。在这种形势下，晶体振荡器的频率需要更优的准确度和稳定度，振荡噪声也需要进一步减小。相位抖动是振荡器噪声特性中的一种，在产品交付前需对其进行精确的在电子信息和通信工程的最新应用领域(例如先进卫星通信和电动汽车控制电路),通用的相位抖动的测量方法指南更加必要。目前，从电磁干扰(EMI)的角度来看，相位抖动的测量方法也变得愈加重GB/T43024《压电、介电和静电振荡器的测量技术》旨在给出压电、介电和静电振荡器的测量和试——第1部分：基本测量方法。目的在于给出振荡器的基本测量方法，包括试验条件、外观和尺寸——第2部分：相位抖动测量方法。目的在于给出相位抖动测量的方法，以精确的测量均方根抖动。——第3部分：频率老化的试验方法。目的在于给出老化试验的方法，为频率老化数据的预测提供依据。——第4部分：短期频率稳定度的试验方法。目的在于规范短期频率稳定度的试验和评估方法。1压电、介电和静电振荡器的测量技术第2部分：相位抖动测量方法1范围本文件描述了压电、介电和静电振荡器，包括使用介电谐振器的振荡器(DRO)和使用薄膜体声波谐振器(FBAR)的振荡器的相位抖动测量方法，给出了关于相位抖动测量的指南，本测量方法采用相位噪声测量设备或相位噪声测量系统。注1:介电振荡器(DRO)和FBAR振荡器的测量在考虑中。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文ISO80000-1量和单位第1部分：总则(Quantitiesandunits—Part1:General)IEC60027(所有部分)电气术语用文字符号(Lettersymbolstobeusedinelectricaltechnology)关材料(InternationalElectrotechnicalVocabulary—Part561:Piezoelectric,dielectricandelectrostaticdevicesandassociatedmaterialsforfrequencycontrol,selectionanddetection)IEC60679-1:2017有质量评定的压电、介电和静电振荡器第1部分：总规范(Piezoelectric,die-lectricandelectrostaticoscillatorsofassessedquality—Part1:Genericspecification)IEC60469脉冲及相关波形的变换术语、定义和算法(Transitions,pulsesandrelatedwaveforms-Terms,definitionsandalgorithms)IEC60617简图用图形符号(Graphicalsymbolsfordiagrams)IEC62884-1:2017压电、介电和静电振荡器的测量技术第1部分：基本测量方法(Measurementtechniquesofpiezoelectric,dielectricandelectrostaticoscillators—Part1:Basicmethodsforthemeasurement)3术语和定义界定的术语和定义适用于本文件。ISO和IEC使用的标准化术语数据库可以在以下网址查阅：ISO在线浏览平台：/obp24测量和测量程序测量和测量程序在IEC62884-1:2017第4章中给出，并在4.2至第8章中引用。4.2相位抖动测量方法测量方法采用相位噪声测量设备(系统)或者专门设计的相位抖动测量设备。三种基本测量方法如下。a)时域测量，使用实时数字或采样示波器。b)数据域测量，使用误码率测量设备。1)相位噪声测量设备；2)抖动或漂移测量设备。方法c)1)使用相位噪声测量设备是推荐的测量方法，因为它的精度足够满足任意振荡输出频率。——在振荡电路相位抖动和漂移的测量过程中，宜关注相对的测量可重复性。——使用方和制造方宜通过探讨，深人理解相对的测量可重复性。——使用方和制造方宜在合同中明确规定测量设备(包括软件程序)。——如果通过相位噪声计算相位抖动和漂移，使用方和制造方宜在合同中明确地规定频率偏移范围。拥有高带宽、快速采样率、大数据存储量的实时数字或采样示波器(见图1),有时附带专用的抖动评估软件。延迟线采样示波器O触发输入振荡器功率振荡器分配图1用采样示波器测量相位抖动示波器显示了时钟信号相对于触发沿的时间波动，并存储了大量(典型情况下数千个)周期数据，设备软件可以计算峰峰值抖动及其统计分布。由于采样示波器不能精确评估抖动的频谱成分，因此难以3由于设备内部时钟的抖动，实测获得的抖动值大于被测Jpur=√(Jma)²-(Jm)²Jpur——被测样品的真实抖动值；Jmas——被测样品的测试抖动值；Jm——设备内部时钟的抖动值。精确的抖动测量。误码率(BER)试验装置用于测量误码率，以标定通信子系统的整体系统性能。由于很难将振荡器相位抖动可以在频域进行测量，IEC62884-1:2017中4.5.25规定了此方法，即带锁相环的相位噪失谐频率范围应由供需双方讨论后，在合同中规定。根据附录A给出的相位抖动量的计算方法，可以得到由相位噪声计算均方根抖动的公式。在特定的同步数字体系(SDH)/同步光纤网(SONET)应用中，傅里叶频率范围(fma…fmx)可以按照IEC60679-1:2017中3.2.53的规定来选择。如果相应的数据手册中无明确规定，表1给出了推荐表1相位噪声测量中的傅里叶频率振荡输出频率ffo=fminf₄=fma1MHz≤f<10MHz10MHz≤f<50MHz50MHz≤f<200MHz200MHz≤f<1000MHz1000MHz≤f<5000MHzf≥5000MHz80MHz从表1可以看出，最紧迫的需求范围在f₃到f₄频段。f₃到f₄频段以外的抖动性能也可以被定义。要计算相位抖动，需要将相位噪声L(f)在关注的频段内进行积分并按以下公式进行评估。根据单边带相位噪声图10lgL(f)计算相位波动谱密度S,(f):S,(f)=2L(f)4GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017△f;=f+i-f;(i=1…n-1)f₁=fmn,f.=fmx积分的平方根△φ(f)在弧度单位制中为有效值相位抖动或者均方根相位抖动。它可以通过乘以下面的因数k转化为角度、单位间隔(UI)分量或时间(单位为s)。因数角度/(°)单位间隔UI时间/sk随机抖动的峰峰值可以认为是上述计算值的7倍(见IEC60679-1:2017中的3.2.53)。整个傅里叶频带内的相位噪声数据10lgL(f)如果存在1dB的误差，则导致的抖动不准确度约为10%。商用信号分析仪可以用于测量时钟源的抖动和漂移，在ITU-TO.172中规定了这种方法(见图2),工作原理类似于采用正交方法的相位噪声测量技术。测量设备配套的软件以数字和图形的方式直接给出抖动和漂移的所有特性值。无抖动的无抖动的参考时钟产生数字信号(包含抖动与漂移)相位检测结果评估与显示隔误差PLLPLL(漂移测量)内部参考时钟低通滤波最大时间间隔误差包含抖动与漂移的时钟峰峰值均方根值解调输出外部时钟加权模式U～AWhPHzW图2ITU-T0.172推荐的抖动与漂移分析仪框图上述系统相对于相位噪声测量的优势在于可以测量抖动的均方根和峰峰值，缺点是系统需要一个输入信号(振荡频率),其频率参照光通信系统(同步数字体系、同步光纤网)的标准数据比特率而定，见表2。表2各类应用的标准比特率同步数字体系同步光纤网比特率Mbit/s允许的振荡频率MHz—OC-151.8425.92,51.84STM-1OC-377.76,155.525GB/T43024.2—2023/IE表2各类应用的标准比特率(续)同步数字体系同步光纤网比特率Mbit/s允许的振荡频率MHzSTM-4OC-12622.08311.04,622.08STM-16OC-482488.321244.16,2488.32STM-64OC-1929953.284976.64,9953.28由于应用场景所限，振荡器不能使用其他输出频率测量。注：其他输出频率的振荡器不能测量，其应用范围有限。测量设备和系统应为内置时间间隔分析仪的专用同步光纤网(SONET)/同步数字体系(SDH)测量设备。测量项目是均方根抖动和周期(周期性)抖动。测量次数应由供需双方经过讨论之后在合同中注明，应为20000次或者更多。注意，下列因素可能导致测量设备不符合振荡器的测量要求。a)测量设备的测量范围可能不包含待测振荡器的频率。b)振荡器输出电压低于设备所需条件。为此需要增加一个放大器，并需要评估放大器带来的相位抖动。c)若输出信号为CMOS信号、低电压差分信号(LVDS)、低电压正发射极耦合逻辑信号(LVPECL)等方波，此类方波是很难实现的，因为在频率超过300MHz之后，谐波分量会减小。因此，信号波形会变成正弦波或者削峰正弦波。专用的SONET/SDH测量设备很难分析这类信号，因此很可能造成测量精度的降低。图3展示了一种典型的测量框图，实际使用的是在图1基础上经过改良之后的框图。测量设备测量夹具负载测量设备电源振荡器样品电源图3等效框图6GB/T43024.2—2023/IE4.3测量系统的输入输出阻抗振荡器的负载阻抗为5Ω~100MΩ,以下列举了负载使用的元件类型。由于需求方存在各种需a)只有电容。b)只有电阻。c)电容和电阻的联合使用。d)含偏置的互补输出。由于测量系统的归一化匹配标准为50Ω,则输入输出阻抗应为50Ω。因此，振荡器的负载阻抗也振荡器输出电压的变化取决于振荡器负载阻抗的变化，因此负载电路的热噪声也会变化。振荡器的相位抖动值也随之变化。供需双方在采用非50Ω的负载时，应仔细研究和审查，并在合同中明确负载阻抗。4.4.2～4.6规定了测量设备的要求，但不是必须坚持这些要求，重要的是选用那些能充分满足振荡器需求的测量设备。随机抖动的本底应比振荡器要求的相位抖动低一个数量级。注：CMOS、LVDS和LVPECL原本指的是器件类型而不是波形本身。但在本文件中，它们被用于描述各种类型的输出波形。输出电压应为350mV或更高。4.5测量夹具测量夹具的要求如下。a)待测振荡器与测量夹具之间的连接允许使用插槽、连接器、螺丝钉、夹扣等夹具。应确保待测振荡器和测量夹具的机械连接和电b)待测振荡器与测量夹具的兼容性待测振荡器和测量夹具应当共地。c)虽然有可能使用无内置负载阻抗的测量夹具，但为了降低来自负载阻抗的热噪声或其他噪声对振荡器相位抖动测量的影响，仍推荐采用有内置负载阻抗的测量夹具。对于电缆，应适配50Ω系统，并采用双层防护类型，且电缆长度越短越好。对于连接器，应适配7注：从测量方法的观点来看，测量系统属于50Ω系统，振荡器负载阻抗不是50Ω系统。如果测量系统不是50Ω系统，也允许供需双方共同使用，并在合同中对新的测量系5测量与测量环境5.1测量前的设置a)整套测量系统和待测振荡器应安装在一个测量空间至少保持2h;b)测量设备已开机2h或2h以上；c)测量设备内部时钟信号的频率稳定度应等于或优于待测振荡器的频率稳定度；d)待测振荡器和测量设备的供电电源应正确地设置到规定的直流和交流电压上；e)对周围的电子器件采取限制措施，确保周围环境不产生电子噪声。5.2测量中的注意事项测量系统不应振动，也不应有位移，测量电缆的位置也不应改变。5.3测量后的处理测量完成之后，不宜拆散测量系统。应确保对测量设备的定期检查和校准。6测量6.1基准温度基准温度为25℃±5℃。6.2温度特性的测量在规定的可精确调节温度的测量空间里，待测振荡器应保持固定不动，同时测量其相位抖动的温度特性。测量期间不应有振动产生。6.3振动状态的测量将待测振荡器固定在振动台上，施加规定等级的振动，测量仪器不应有振动产生。6.4冲击状态的测量将待测振荡器固定在冲击台上，施加规定等级的冲击，测量仪器不应受到冲击台的冲击波或者振动另外，因为冲击周期短于测量周期，冲击试验并不能完全体现实际情况。推荐供需双方在合同中明确测量条件。6.5加速老化的测量将待测振荡器按照技术规范，设置规定的老化温度和老化时间，并保持固定无移动来进行加速老化测量。87其他注意事项供需双方需要仔细考虑，以确保获得可以预期的测量结果，这可以通过排除所有干扰实现。来自电源的电子噪声可能包含在测量系统中，测量系统内部或外部的器件产生的相位抖动也应考虑在内。8其他对振荡器以及基于振荡器中包含倍频或分频功能的模块进行相位抖动测量时，供需双方应详细讨9GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017(资料性)相位抖动计算方法A.1概述本附录给出了通过相位噪声的测量结果计算相位抖动的方法。A.2说明通过相位噪声测量结果计算相位抖动，可获得其均方根抖动。详细描述如下。如果使用频谱分析仪或者相位噪声测量系统，可以通过频率成分来分析相位抖动及抖动产生的原因。相位噪声测量系统能测量到其他抖动测量系统难以测量到的极其微小的相位抖动，因此适用于评估振荡器类的高稳定性器件。需求方会要求各种各样的振荡器信号，例如正弦波和方波。对于正弦波信号，使用相位噪声测量系统有理论基础，非常合适；而对于方波信号，则会包含各种误差因素。但是，目前还没有找到任何其他可以稳定地测量如此微小相位抖动的方法，因此，将相位噪声测量系统也运用于测量波信号。一般情况下，观察振荡器的单边带相位噪声测量结果时，水平轴上的频偏基本都从10Hz到1MHz,从1Hz到1MHz,或从1Hz到10MHz。在一些特别情况下，使用10kHz或稍高一点的频偏作为本底，也可以当做是1MHz或10MHz,可以这样规定是因为测量设备内置了滤波器。另一方面，对于相位抖动而言，这样的滤波器并不需要，因为相位抖动的测量可以无视频偏。因此，相位噪声测量值和相位抖动测量值不可能完全一致。但对于拥有超低抖动的振荡器而言，相位噪声和相位抖动测量值一定是相互关联的，为了方便，两者都被使用。A.3相位噪声与相位抖动的关系采用相位检测器(将相位波动转化为电压波动)对相位调制信号进行解调，公式(A.1)描述了相位和电压之间的关系，其中K。是常量，单位为V/rad。△Vou=K。×△φ…………(A.1)当使用频谱分析仪测量被转化的相位波动时，可由公式(A.2)来表示：△Vm.(f)=K,×△φm(f)[V]…………(A.2)如果用Swm(f)定义被测电压波动(相位检测仪的输出波动)的频谱密度函数，则相位波动的频谱密度函数可以用公式(A.3)来表示：…………(A.3)B——频谱分析仪的带宽。上述结果被转化为单边带(SSB)相位噪声，单边带相位噪声可用公式(A.4)来表示：……………(A.4)式中：S,(f)——相对于1个弧度的dB值，也是相位波动的功率谱密度函数；L(f)——单边带相位噪声。规定带宽内的总的相位偏移，即为相位抖动，可以用公式(A.5)和公式(A.6)表示：GB/T43024.2—2023/IEC62884-2:2017…………(A.5)…………(A.6)如图A.1所示，单边带相位噪声中阴影部分即为相位抖动，其面积与均方根抖动的平方值一致。如果频偏范围不同，相位抖动的计算值也会不同。这是该计算方法的一个缺陷，因此由单边带相位噪声A.4关于相位抖动理论来源的介绍偏离载频频率单边带相位噪声概念图在1966年，IEEE汇编了频率稳定度的单独的论文。不久，该定义应用到原子钟振荡器、晶体振荡频率稳定度作为频率稳定度的一种，用相位噪声或阿伦方差来表征。近来，电子系统的数字化时代正在另一方面，振荡器是模拟类的电子器件。而使用者越来越需要方波输出或准方波输出的振荡器，这样可以很方便地组装到电子系统中。使用者当然越来越普遍地用相位抖动来表征短期频率稳定度了。A.5说明A.5.1概述振荡器的相位抖动，在时域方面指的是信号波形的电子噪声。另一方面，相位抖动可以描述为一种信号偏移频率超过10Hz的抖动，也可以描述为一种频率为10Hz或者更低的漂移。漂移在电子元器件中是一种已被证实的现象，例如光导电缆在微小温度改变下的膨胀与收缩。但是振荡器的漂移很难观察，因此，漂移在振荡器中通常是不被考虑的。在本文件中，相位抖动简称为实际上，由于各方面的影响，周期是不断变化的，这种现象就是相位抖动。当使用示波器或类似设备观察时，能看到显著增厚的波形边沿。测量和评估这种相位抖动，可以采用统计学的测量技术，如图A.2a)所示。图A.2a)中的数值已被处理为象征性符号，纵轴上0.5的位置作为一个参考点，其与信号波形的交点处设定为固定不变。在经过一个周期波形后，再去关注那些交点，每当信号沿着横轴在显GB/T43024.2—2023/IE示屏上重复移动时，第二个周期波形的交点都是不可重复的，随后大量的多重的交点出现了。当重复测相位抖动是一种正态分布，见图A.2b)。仔细分析研究时，可以分成多种类型。本部分将相位抖动分成了7类，A.5.2～A.5.8将详细解释其类别属性和机理。时间时间图A.2电压-时间的关系A.5.2均方根(RMS)抖动均方根抖动有着如图A.3所示的正态分布。按照统计学原理，均方根抖动的一个标准偏差，定义从统计学观点来看，任何测量数据存在于lσ区的概率均为68.26%。因此，当测量次数为10000次时，可获得大约6826个有效测量数据。相反，31.74%的测量数据将会落在lσ区的正侧和负侧。如果判定落于lσ区间之外的数据是错误，则31.74%就是错误率。A.5.3峰峰值(peak-to-peak)抖动峰峰值抖动也是一种相位抖动，正态分布如图A.3所示。将一个周期的相位抖动量进行累加，以图A.2所示的参考点作为基点进行统计学处理。这种情况下，假定相位抖动量服从正态分布。峰峰值抖动定义为最大值与最小值之间的差值(也就是图A.3的变化宽度)。当测量次数增加时，抖动值也会随之增大，峰峰值抖动就变成了之后所述的总抖动。因此，振荡器制造方和使用方需要在规格书中协商具体的测量条件。由于用峰峰值抖动和均方根抖动表征相位抖动都与测量次数相关，因此测量样品的工作条件只限于一段较短的时间周期。而且，只有在理想的正态分布(高斯分布)下，相位抖动值才有效，如果是失真的非高斯分布，例如二项式分布和卡方分布，有效性会大大下降。因此，当使用峰峰值抖动和均方根抖动时，制造方和使用方需要在合同中明确规定测量次数。A.5.4随机抖动随机抖动如图A.4所示。随机抖动描述的是不可预测的相位抖动成分。随机抖动自然地发生，由物体的本质特征和热噪声等引入，它最初就包含于测量仪器本身或振荡器中。而且，随机抖动有着这样的特点，观测周期越长，测量值的分布宽度也越宽(也就是无限的分布)。因此，其分布可以认为是一个理想的正态分布，通过测量相位抖动所获得的分布图上的标准方差，得出了随机抖动。对于振荡器而言，随机抖动可以评估抖动量，等效于均方根抖动，而且，作为测量仪器某一GB/T43024.2—2023/IE时间间隔的抖动量，随机抖动是判断测量振荡器相位抖动适用性的量度标准之一。确定性抖动的产生来自各种各样的规律性的因素，例如电路设计、电磁感应或者外部环境等，其分布的变化宽度有一个边界，可以用左侧随机抖动和右侧随机抖动之间的夹层区间来表示。另一方面，形成确定性抖动的成分包含周期性抖动和数据相关性抖动。A.5.6周期(周期性)抖动周期(周期性)抖动显示了连续测量的多个周期(例如两个周期和三个周期)定时的不同，判定周期抖动或周期性抖动，可以通过理解与均方根抖动之间的关系，区别在于多个周期和单个周期，还有是否为周期性地不规则出现。就抖动中的周期性成分而言，它们来自电源噪声、被测振荡器周围电子元器件的串扰以及临近的IC噪声。如果进行快速傅里叶变换(FFT),造成周期抖动的频率会清楚地出现在频谱上。对振荡器而言，虽然这种抖动确实需要考虑，但是一般来说，使用测量仪器很难检测这种抖动。A.5.7数据相关性抖动数据相关性抖动的成分来自占空比失真和码间干扰，对振荡器来说是可以忽略的。总抖动定义为所有抖动的叠加。A.6测量要点A.6.1测量设备需求方对振荡器会提出各种各样的要求。输出波形并不局限于方波。极低的输出电压，低到已不适用于相位噪声测量设备，这样的需求也可以满足。既然振荡器拥有超低的噪声，可能会经常发生这样的事情，即检测到的是测量设备自身的抖动量。相比于待测振荡器的抖动量，测量设备应有低一个量级的抖动本底。而且，频率范围和输出波形要求不一般而言，测量系统提供适用于数字电子系统级别的规格，如果是针对振荡器测量，则需要进行充分深入的研究。图A.3均方根抖动示意图对每一种测量系统，都应仔细考虑下面几点。a)在数字示波器测量仪器中，目前还没有发现合适的可用于超低噪声振荡器测量的仪器。b)当使用数字示波器进行相位抖动测量时，推荐选择那些经过充分校验和证实的测量设备和测量系统，并且在供需双方之间的合同中有明确的指定。c)当使用基于时间间隔分析仪的专用测量设备时，可以观察到下面的缺点：抖动本底中的随机抖器。因此，选择这种专用测量设备需要仔细考虑。d)相位抖动可以使用相位噪声测量设备或测量系统，通过测量相位噪