CN1838540A - 时间数字转换装置和方法及信号抖动测量装置和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的时间数字转换装置是利用复数个缩宽胞串接而非电容器充放电的方式，使具有一脉宽的待测信号经所述缩宽胞处理后，将其脉宽逐次减缩直到所述脉宽长度无法驱动下一级缩宽胞为止，借此获得一组可代表二进制数的数字输出码。所述转换装置配合一频率信号运作，主要包含一缩宽胞群，用以将所述待测信号转换成复数个第一数字输出码；和一缩宽闩锁胞群，用以接收所述第一数字输出码并产生可转换成一二进制数的复数个第二数字输出码。所述时间数字转换装置可应用于一信号抖动测量装置，将一待测信号的抖动由连续信号量化成一组数字信号，所述组数字信号表示所述待测信号的循环抖动的时间宽度。

Description

时间数字转换装置和方法及信号抖动测量装置和分析方法

技术领域

本发明涉及一种时间数字转换装置和方法，尤指一种以脉宽减缩方式为基础的时间数字转换装置和方法，特别适合运用于计数微小的时间间隔。此外，本发明又涉及一种信号抖动测量装置和信号抖动分析方法，尤指一种以所述时间数字转换装置为基础的信号抖动测量装置和信号抖动分析方法，特别适合运用于高速信号抖动的测量。

背景技术

时间数字转换器(time-to-digital converter；TDC)已广泛使用在许多领域，包括利用时域反射仪(time domain reflectometer)来测量信号信道(signal path)的反射条件、军事用途的雷达搜索、IC工业中利用半导体分析仪测量定时关系(timing relation)、测量许多物理现象的精密仪器、激光测距仪、模拟数字转换器、测量微小时间差的计数器等(countersfor measuring tiny time differences)。一般时间数字转换器的设计方法有以下三种：(1)双重斜率法(dual slope method)：透过控制单一电容器的充放电电流，由所述电容器的充放电特性来决定此转换器的增益比。然而因环境而引起的电容值改变，将导致不穏定且造成增益过大、转换时间过长、回复时间过长等缺点。(2)时间振幅转换法(time-to-amplitudeconversion method)：以一电流源对一电容器充电，并利用充电电流的变化相对于电压的变化关系，将电压转换成数字信号以获得时间和数字信号的关系。此法的优点是转换速度快，但其精确性仍取决于电容器的稳定性。(3)单位延迟缓冲法(unit delay buffermethod)：复数个数字缓冲器串接时具有一定的时间延迟效果。当输入一特定脉冲时，于每个数字缓冲器的输出可辨识出一微小的时间差，利用此时间差可达到测量的目的。但此法不仅电路复杂，而且在每个缓冲器可能发生的抖动(jitter)而影响测量的精确度。

抖动(iitter)是定义为信号边缘的位置对于其理想位置于时间上偏移(deviation)，也常被称为时序失真(timing distortion)。其是因为热、电磁噪声、电路不稳或传输损失而产生。对于数据传送系统而言，抖动会造成数据传输的错误，进而降低系统的整体可靠度。

抖动可以分为定量性抖动(deterministic jitter)和随机抖动(random jitter)。随机抖动本质上是属于高斯分布(Gaussian distribution)，一般是由热噪声(thermal noise)、散粒噪声(shot noise)等因素造成。定量性抖动包含下列成份：周期性抖动(Periodic Jitter；PJ)、数据相关抖动(Data Dependent Jitter；DDJ)、工作周期失真(Duty Cycle Distortion；DCD)等。就本质而言，周期性抖动通常为正弦(sinusoidal)形式，数据相关抖动通常来自于系统的带宽限制的码间干扰(Inter-Symbol Interference；ISI)等让数据改变的因素，而工作周期失真来自于差动信号之间的电压偏移与系统上升、下降时间的差异。总抖动是定量性抖动与随机抖动的总和。

一般常用来测量抖动的方式包括：眼状图(eye diagram)和时间区段误差统计图(TimeInterval Error；TIE)，两者均提供总抖动的相关消息。其它的测量方式，如频谱分析等，则可对于不同的抖动成份提供更深入的了解。

参看图1，一眼状图15是通过检测器所接收到的一连串脉冲的升、降缘11覆写在高速示波器上得到，即将各脉冲重迭而成。眼状图因为形状类似眼睛而得名，较大的眼开(Eye Opening；EO)值代表传输质量良好。反之，「瞇眼」则表示信号质量很差。将眼状图的屏蔽(mask)12与标准的眼状图屏蔽相比较，即可验证和鉴定信号的质量。

TIE统计图是统计实际上与理想上抖动发生时间的误差量，可以显示出定量性抖动成份与随机抖动造成的分散现象。

然而，关于抖动的测量可能因为无法产生一理想的参考信号源，使得额外掺入的抖动量造成测量值放大的错误现象，如图2所示。另外抖动信号的统计特性不易收敛，容易造成测量失真。于硬件实现上，在高速信号的设计和制造的限制相当多，例如高速信号经过反相器串行(inverter chain)时，因为速度过快，经反相器反相后的信号来不及反应，造成传输信号延迟并使得信号无法辨识。因此，如何在较低速的环境下准确地进行抖动测量的技术仍待突破。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种时间数字转换装置和方法，利用缩宽胞而非电容器充放电的方式，将具一脉宽的待测信号转换成一二进制数，以避免因电容器影响而产生的转换误差。

本发明的另一目的是提出一种信号抖动测量装置，运用所述时间数字转换装置，将所述信号抖动由连续信号量化成一组数字信号，所述组数字信号是表示所述信号的循环抖动(cycle-to-cycle jitter)的时间宽度。

本发明的又一目的是提出一种信号抖动分析方法，通过直接分析一待测信号的脉宽流而非其抖动信号，来降低因脉宽缩减单元或可调整脉宽缩减单元所引起的误差信号。

为达到上述目的，本发明揭示一种时间数字转换装置，其主要包括一缩宽胞群、一缩宽闩锁胞群。所述缩宽胞群包含复数个缩宽胞且所述缩宽胞依序串接成复数级缩宽胞。所述缩宽胞群是用以接收具一脉宽的一待测信号，使所述待测信号经所述每缩宽胞后，所述脉宽长度缩减一解析量，直到所述脉宽长度无法驱动下一级的缩宽胞为止，且每所述缩宽胞均产生一第一数字输出码。所述缩宽闩锁胞群包含与所述缩宽胞相同数目的缩宽闩锁胞，每缩宽闩锁胞与每缩宽胞一一相互对应排列，用以接收所述第一数字输出码并进行闩锁以产生一第二数字输出码。所述所述第二数字输出码是以温度计编码(thermometer code)方式表示。

所述第二数字输出码可经一优先编码器和一输出闩锁单元进行处理。所述优先编码器是用来将所述第二数字输出码编码成一二进制数，所述输出闩锁单元则可存储所述二进制数并接受与所述频率信号同步的一触发信号后输出所述二进制数。

就实施方法而言，其主要可分为以下步骤：(1)将一待测信号的脉宽依序延迟一解析量以产生复数个第一数字输出码；(2)将所述复数个第一数字输出码进行闩锁处理以产生复数个第二数字输出码；和(3)将所述复数个第二数字输出码转换为以二进制数表示的第三数字输出码。

本发明的信号抖动测量装置的第一实施例是配合一第一频率信号运作，用以将与所述第一频率信号同步且具一第一脉宽的一第一测待信号转换为一二进制数。所述信号抖动测量装置包含：一输入控制器，用以将所述第一频率信号的频率降低一奇数倍而成一第二频率信号和产生一与所述第二频率信号具一时间延迟的一第三频率信号；一采样保持电路，是配合所述第三频率信号的高低电平，用以将所述第一待测信号转换成具一第二脉宽的一第二待测信号；一脉宽调制单元，是配合一边界检测阈值将所述第二待测信号转换成具一第三脉宽的一第三待测信号；一脉宽缩减单元，用以将所述第三待测信号的所述第三脉宽缩减成具一第四脉宽的一第四待测信号；一时间数字转换装置，用以将所述第四待测信号转换成至少一第二数字输出码；和一闩锁控制器，是用以产生一输出重置信号到所述时间数字转换装置中的缩宽闩锁胞以清除所述缩宽闩锁胞的内容。

本发明的信号抖动测量装置的第二实施例是直接将一第一待测信号转换为一二进制数而不需配合任何频率信号。所述信号抖动测量装置包含：一输入控制器，用以将一第一待测信号转换成一采样保持控制信号；一采样保持电路，是配合所述采样保持控制信号，将所述第一待测信号转换成具一第二脉宽的一第二待测信号；一脉宽调制单元，是配合一边界检测阈值将所述第二待测信号转换成具一第三脉宽的一第三待测信号；一可调整脉宽缩减单元，用以将所述第三待测信号的所述第三脉宽缩减成具一第四脉宽的一第四待测信号；一时间数字转换装置，用以将所述第四待测信号转换成至少一第二数字输出码；和一闩锁控制器，是接收来自所述可调整脉宽缩减单元的一第一控制信号以产生一输出重置信号到所述时间数字转换装置中的缩宽闩锁胞以清除所述缩宽闩锁胞的内容。

为降低因脉宽缩减单元或可调整脉宽缩减单元所引起的误差信号，本发明揭示一种信号抖动分析方法，其包含以下步骤：(1)提供一具一脉宽流的待测信号和一具一理想脉宽的理想信号；(2)计算所述脉宽流的标准差；和(3)根据所述脉宽流的标准差，计算所述待测信号的随机抖动流的标准差。

附图说明

图1是常规的眼状图；

图2显示常规的信号抖动的测量方法；

图3是本发明的时间数字转换装置的示意图；

图4是本发明的时间数字转换装置的缩宽胞的电路示意图；

图5是待测信号经各级缩宽胞后的脉宽缩减示意图；

图6(a)和(b)是控制信号与解析量的关系图；

图7是本发明的时间数字转换装置进一步包含的优先编码器和输出闩锁单元示意图；

图8(a)是本发明的时间数字转换装置的输入控制器的信号时序图；

图8(b)是输入控制器的一实施例的电路示意图；

图9是本发明的信号抖动测量装置的第一实施例的系统方框图；

图10(a)是本发明的信号抖动测量装置的采样保持电路的电路示意图；

图10(b)是本发明的信号抖动测量装置的采样保持电路各信号的时序图；

图11(a)和(b)显示数据信号的边界检测阈值；

图12(a)和(b)是本发明的信号抖动测量装置的脉宽调制单元的两种电路实施例和其信号时序图；

图13(a)是本发明的信号抖动测量装置的脉宽缩减单元的一电路实施例；

图13(b)是本发明的信号抖动测量装置的脉宽缩减单元中各信号的时序图和其局部放大图；

图13(c)是图13(b)中N区块的放大图；

图14是本发明的信号抖动测量装置的第一实施例中各信号的时序图；

图15是本发明的信号抖动测量装置的第二实施例的系统方框图；

图16是本发明的信号抖动测量装置的第二实施例中各信号的时序图；

图17(a)是可调整脉宽缩减单元的一实施例示意图；

图17(b)是图17(a)的一实施例的电路图；

图18(a)示范可调整脉宽缩减单元的输出入信号；

图18(b)和18(c)显示因为可调整脉宽缩减单元所引起的误差信号；

图19(a)示范待测信号中的定量性抖动信号；和

图19(b)是图19(a)经采样和相减处理后的信号。

具体实施方式

图3为本发明所揭示的一种时间数字转换装置1，主要包含一缩宽胞群10和一缩宽闩锁胞群20。所述缩宽胞群10包含至少一缩宽胞10_i(i为1到n的正整数)且所述缩宽胞10_i依序串接形成复数级。所述缩宽胞群10是用以接收具一脉宽w的一待测信号a₀。所述待测信号a₀经每一缩宽胞10_i，其脉宽长度缩减一解析量r，即经一缩宽胞10_i后其脉宽长度为w-r，经二个缩宽胞10_i后其脉宽长度为w-2r，依此类推直到所述脉宽长度无法驱动下一级的缩宽胞10_i+1为止。每缩宽胞10_i均产生一第一数字输出码a_i(i为1到n的正整数)，并作为下一级缩宽胞10_i+1的输入。所述第一数字输出码a_i可为1(高准位)或0(低准位)。所述缩宽闩锁胞群20包含与所述缩宽胞10_i相同数目的缩宽闩锁胞20_i(i为1到n的正整数n)，每一缩宽闩锁胞20_i与每一缩宽胞10_i是相互对应排列，且接受所述第一数字输出码a_i以产生一第二数字输出码b_i(i为1到n的正整数)。所述缩宽闩锁胞20_i接收来自相对应的所述第一数字输出码a_i后，依所述第一数字输出码a_i的高、低电平，所述缩宽闩锁胞20_i即输出一与所述第一数字输出码a_i相同电平的所述第二数字输出码b_i。所述缩宽闩锁胞20_i以复数个D型正反器为实施例时，所述复数个正反器的输入埠D连接一电源V_dd，所述复数个正反器的频率输入埠(CLK)连接相对应的所述第一数字输出码a_i。此时存储在所述缩宽闩锁胞20_i的所述第二数字输出码b_i是以温度计编码(thermometer code)的方式存储。在使用所述缩宽闩锁胞群20之前，先连接与所述频率信号同步的一输出重置信号Reset到所述复数个正反器的清除埠(CLR)，将所述复数个正反器的内容清除。

图4为说明所述缩宽胞10_i的电路示意图，其中i为1到n的正整数。所述缩宽胞10_i是用来将具一脉宽w的信号缩减所述解析量r，其包含：一第一互补式金氧半导体(CMOS)反相器10_ia，是用以接收一输入信号a_i-1，并产生一中间信号a′_i；一第二互补式金氧半导体反相器10_ib，是用以接受所述中间信号a′_i并产生一输出信号a_i，所述输出信号a_i即为下一级缩宽胞10_i+1的输入信号；和一调整单元10_ic，是用以接收所述中间信号a′_i和所述输出信号a_i并接收一控制信号Vc来调整所述解析量r的大小。对第一级缩宽胞10₁而言，其输入信号即为所述待测信号a₀。所述调整单元10_ic包含一P型金氧半导体组件PMOS2和一N型金氧半导体组件NMOS2。所述P型金氧半导体组件PMOS2是利用一第一端点10_ic-1接收所述输出信号a_i，利用一第二端点10_ic-2连接所述电源V_dd，利用一第三端点10_ic-3接收所述中间信号a′_i。所述N型金氧半导体组件NMOS2是利用一第四端点10_ic-4连接所述第一端点10_ic-1且接收所述输出信号a_i，利用一第五端点10_ic-5连接所述第三端点10_ic-3且接收所述中间信号a′_i，利用一第六端点10_ic-6以接受所述控制信号V_c。所述输入信号a_i-1与所述输出信号a_i的关系，请参看图5。

图5说明所述待测信号a₀连续经由复数个所述缩宽胞10_i时，其脉宽由w逐次缩减解析量r的时序示意图。需注意的是，a₁、a₂、a₃…等信号的脉宽虽逐次缩减r，但其电平还是保持在高准位，直到所述脉宽长度无法驱动下一级缩宽胞为止。

图6(a)和(b)说明所述控制信号V_c与所述解析量r的关系。其中SS、TT和FF表示所述缩宽胞10_i在三种不同的制程条件下所得出的三条关系曲线。就单一曲线而言，在运用时可通过改变所述控制信号V_c的大小调整所述解析量r的大小。就多条曲线(图6(a)和(b)仅以三条曲线为例)而言，可通过改变所述控制信号V_c的大小来排除因制程变异所造成所述解析量r的变异。参看图6(a)，所述控制信号V_c的优选调整范围介于0.44～0.8伏，而其相对的优选解析量r的调整范围介于20×10^-12～70×10^-12秒。为能得到更精确(更小)的解析量r，在设计缩宽胞10_i时(再参看图4)，可选择相对于PMOS1、PMOS3、NMOS1和NMOS3具较小尺寸(即较小的最小线宽(critical dimension))的PMOS2和NMOS2。图6(b)即显示具有较精确(小于10微微秒)的解析量r与控制信号V_c的关系，其中所述控制信号V_c的优选调整范围介于0.34～0.94伏，而其相对的优选解析量r的调整范围介于3×10^-12～26×10^-12秒。

参看图7，所述第二数字输出码b_i是经由一优先编码器40和一输出闩锁单元50进行处理。所述优先编码器40是用以将存储在所述缩宽闩锁胞20_i的所述第二数字输出码b_i转换成至少一个第三数字输出码c_j(j为1到m的正整数)，其中c₁为最低有效位值(LeastSignificant Bit；LSB)而c_m为最高有效位值(Most Significant Bit；MSB)，因此所述第三数字输出码c_j可代表一二进制数。所述输出闩锁单元50是用来存储所述第三数字输出码c_j，并在接收一触发信号Trig之后输出所述第三数字输出码c_j(二进制数)。所述触发信号Trig是由一闩锁控制器55(请参看图9)产生。

再参看图2，其是显示常规的信号抖动测量方法。一高速数据信号A的频率为f，一频率同为f的第一频率信号clk1是用以进行所述数据信号A的抖动测量。如果clk1在高速时想要达到误差小于2微微秒(ps)的高准确性，其常必须依赖如硅锗等特殊制程。如果clk1是以目前的硅制程产生，其本身于高速时极可能因发生抖动而与数据信号A的抖动形成如图2的虚线框所示的抖动重迭(jitter aliasing)现象，而大幅降低抖动测量的准确性。

参看图8(a)，利用一频率为f/3的较低频率的第三频率信号clk3针对频率为f的第一待测信号data1进行抖动测量。其类似一照相(photography)技术，通过clk3的高电平信号部分涵盖第一待测信号data1的升、降缘，如此可免除上述抖动重迭的问题发生。其中所述第三频率信号clk3可由图8(b)所示的一实施例的输入控制器54通过所述第一频率信号clk1转换为第二频率信号clk2，再经控制器54中的一D型正反器542产生时间延迟而得到。

以下详述本发明的一种运用所述时间数字转换装置1的信号抖动测量装置。

图9为本发明所揭示的一种信号抖动测量装置5的第一实施例的系统方框图，其是利用前述的时间数字转换装置1和输入控制器54来达到计算所述信号的循环抖动的功能。一第一频率信号clk1进入所述输入控制器54后，所述输入控制器54将所述第一频率信号clk1的频率降低一奇数倍k(本实施例k＝3)而成一第二频率信号clk2，并进而产生一与clk2同频率且具一时间延迟的一第三频率信号clk3(参看图8(a))。一第一待测信号data1进入一采样保持电路51后，配合clk3的高低电平，将data1转换成具一脉宽w2的一第二待测信号data2。图10(a)揭示一采样保持电路51，是利用data1和clk3为其输入信号用以产生一第二待测信号data2。在所述采样保持电路51的优选实施例中，反相器A的尺寸大小与反相器B相比较大，以增进运作时的稳定性。所述采样保持电路51的作用方式描述如下：当clk3为高电平时，所述采样保持电路51的输出信号(即为data2)即相当于data1。当clk3为低电平时，所述采样保持电路51的输出信号是保持当时data2的电平。图10(b)为clk1、clk2、clk3、data1和data2各信号的时序图。

当数字信号的高低电平切换时并非为单纯的切换(参看图11(a))，实际上数据信号由″0″到″1″(或由″1″到″0″)，是如图11(b)所示的图形(图11(a)的″M″部位放大图)，而其变化的斜率将影响到其相应眼状图的脉冲升、降缘11的斜率，也会影响循环抖动的大小。一般电压由″0″到″1″或由″1″到″0″的采样点可设于高、低边界检测阈值(boundary detectionthreshold)511和512。

采样保持电路51的输出信号data2先经由一脉宽调制单元52的处理而产生具一第三脉宽w3的一第三待测信号data3。

图12(a)、12(b)是脉宽调制单元52的两种实施例。图12(a)的电路是采用高边界检测阈值511等于电源V_dd电压值大小的百分之九十的设计，而图12(b)的电路是采用低边界检测阈值512等于电源V_dd电压值大小的百分之十的设计。一般边界检测阈值511、512的设定常分别大于电源V_dd电压值的80％和小于电源V_dd电压值的20％。比较两种电路设计的信号时序图，可知同样的信号S1输入，以后者所得到的输出值S4的脉宽较宽。

一般我们所要测量的信号抖动大小为微微秒(10^-12秒)等级，且信号抖动的信息仍存在信号的升、降缘，因此利用一脉宽缩减单元53将来自脉宽调制单元52的输出信号(即为data3)的脉宽缩减成具一第四脉宽w4的一第四待测信号data4，其中data4只保留含有信号抖动信息的脉宽。图13(a)为脉宽缩减单元53的一实施例。所述脉宽缩减单元53由偶数个反相器依序串接用以产生一与data3具一时间延迟的信号data3′，之后将信号data3′与data3接到一反互斥或逻辑门(XNOR gate)以产生信号data4。图13(b)为data3、data3′和data4各信号的时序图，图13(c)则为图13(b)的N部位放大图。data4的脉宽明显小于data3的脉宽，因此之后在输入所述时间数字转换装置1时，可减少其中缩宽胞10_i的数目，不仅可加速信号抖动的测量，也可降低硬件的成本。

信号data4(相当于图3的a₀)接着进入时间数字转换装置1(其工作原理在前面已详细叙述，在此不再重复)，被转换成至少一第二数字输出码b_i。所述第二数字输出码b_i是以温度计编码方式呈现，再经所述优先编码器40将所述第二数字输出码b_i转换成至少一个第三数字输出码c_j(j为1到m的正整数)，并由所述输出栓锁单元50控制输出的时机。所述优先编码器40和输出栓锁单元50的详细运作方式如前所述，在此加以省略。

图14揭示clk1、clk2、clk3、data3、data4、输出重置信号Reset和触发信号Trig的时序图。所述闩锁控制器55接收来自输入控制器54的信号clk2后产生输出重置信号Reset并传送到时间数字转换装置1内的缩宽闩锁胞20_i(参看图9和图3)。所述缩宽闩锁胞20_i以复数个D型正反器为实施例时，输出重置信号Reset是传送到D型正反器的CLR埠，用以清除前一周期存留在D型正反器中的信号数据。请同时参看图13(b)和13(c)，信号data3经所述脉宽缩减单元53处理后，于时间点T1、T4、T5、T8…产生的信号data4带有信号data3上升缘的抖动信息。同理于时间点T2、T3、T6、T7…产生的信号data4即带有信号data3下降缘的抖动信息。信号data4经时间数字转换装置1处理后，经优先编码器40之后存储在输出闩锁单元50。此时存储在输出闩锁单元50中的信息是至少一个第三数字输出码，也可解读成一二进制数。待来自闩锁控制器55的触发信号Trig传送到输出闩锁单元50时，所述第三数字输出码(二进制数)即立刻被送出。此时所述二进制数乘以所述解析量r即表示信号data4在所述时间点的脉宽，即信号data4在所述时间点的循环抖动的时间宽度。

图15为本发明所揭示的一种信号抖动测量装置5′的第二实施例的系统方框图，其是利用前述的时间数字转换装置1和一输入控制器54′来达到计算所述信号的循环抖动的功能，其中于本实施例中不需使用到频率信号(参看图9的clk1)，而是直接利用一第一待测信号data1来取代在信号抖动测量装置5的第一频率信号clk1。且于本实施中所使用的时间数字转换装置1、优先编码器40、输出闩锁单元50、采样保持电路51、脉宽调制单元52和闩锁控制器55均与第一实施例中相同。所述第一待测信号data1进入输入控制器54′后，所述输入控制器54′将所述第一待测信号data1的频率降低一奇数倍k(本实施例k＝9)并产生具一时间延迟的一采样保持控制信号ctd。同时，所述第一待测信号data1进入一采样保持电路51后，配合所述采样保持控制信号ctd(于本实施例中是将图10(a)中的clk3以ctd取代)，将data1转换成具一脉宽w2的一第二待测信号data2。采样保持电路51的输出信号data2先经由一脉宽调制单元52(参看图12(a)或图12(b))的处理而产生具一第三脉宽w3的一第三待测信号data3。之后，利用一可调整脉宽缩减单元53′将来自脉宽调制单元52的输出信号(即为data3)的脉宽缩减成具一第四脉宽w4的一第四待测信号data4，其中data4只保留含有信号抖动信息的脉宽。图16显示第二实施例中ctd、data1、data2、data3、data4、输出重置信号Reset和触发信号Trig的时序图，其中输出重置信号Reset和触发信号Trig的上升缘均会紧随着信号data3的上升缘移动。

图17(a)为可调整脉宽缩减单元53′的一实施例的示意图，图17(b)则为图17(a)的一实施例电路图。所述可调整脉宽缩减单元53′由偶数个反相器串接(其中包含置于前后的两个固定式反相器531和置于中间的偶数个可调式反相器532)用以产生一与data3具一时间延迟的信号data3′，其中所述时间延迟可利用一第二控制信号Vs来调整大小。之后将信号data3′与data3接到一反互斥或逻辑门(XNOR gate)以产生信号data4，因此通过调整所述第二控制信号Vs的大小即可调整信号data4的第四脉宽w4的大小。其中连接接点a、b的总线Bus是将一第一控制信号Ctr连接到一闩锁控制器55(参看图15)中以产生一触发信号Trig，而位于接点a、b之间的可调式反相器532数目必须为奇数，以降低脉宽缩减时所造成的误差。于本实施例中，所述总线Bus仅包含两条信号线，然而可视需要增加信号线数目(即增加连接点数目)。

再参看图15，信号data4(相当于图3的a₀)接着进入时间数字转换装置1，被转换成至少一第二数字输出码b_i(i为1到n的正整数)。在此实施例中，解析量r是受一第三控制信号V_c(参看图4所调整)。所述第二数字输出码b_i是以温度计编码方式呈现，再经所述优先编码器40将所述第二数字输出码b_i转换成至少一个第三数字输出码c_i(j为1到m的正整数)，并由所述输出栓锁单元50控制输出的时机。所述闩锁控制器55接收来自所述可调整脉宽缩减单元53′的第一控制信号Ctr后产生一输出重置信号Reset并传送到时间数字转换装置1内的缩宽闩锁胞20_i(参看图15和图3)。所述缩宽闩锁胞20_i以复数个D型正反器为实施例时，输出重置信号Reset是传送到D型正反器的CLR埠，用以清除前一周期存留在D型正反器中的信号数据。再参看图16，信号data3经所述可调整脉宽缩减单元53′处理后，于时间点T1、T4产生的信号data4带有信号data3上升缘的抖动信息。同理于时间点T2、T3产生的信号data4带有信号data3下降缘的抖动信息。信号data4经时间数字转换装置1处理后，经优先编码器40之后存储在输出闩锁单元50。此时存储在输出闩锁单元50中的信息是至少一个第三数字输出码，也可解读成一二进制数。待来自闩锁控制器55的触发信号Trig传送到输出闩锁单元50时，所述第三数字输出码(二进制数)即立刻被输出。此时所述二进制数乘以所述解析量r即表示信号data4在所述时间点的脉宽，即信号data4在所述时间点的循环抖动的时间宽度。

上述信号抖动测量装置的二实施例均为了达到降低硬件成本，使用了脉宽缩减单元53(参看图9)或可调整脉宽缩减单元53′(参看图15)，先将待信号(即data3)的脉宽缩短之后再行处理。然因脉宽缩减单元53或可调整脉宽缩减单元53′的加入，会产生误差信号。所述误差信号产生说明如下。参看图18(a)～(c)，将一固定周期(T_fix)的测试信号A输入可调整脉宽缩减单元53′，其中所述测试信号A的脉宽长度是以上升下降时间(T_rf)表示，且所述测试号A的下降上升时间(T_fr)定义为T_fix与T_rf的差值。测试信号A经可调整脉宽缩减单元53′的处理后，其输出信号依所使用的第二控制信号Vs大小而有所不同。输出信号B和C是分别为Vs＝1V和1.5V的输出信号。其中脉宽b1(c1)相应于T_rf，而脉宽b2(c2)相应于T_fr(参考图13(c))。经可调整脉宽缩减单元53′处理后相应于T_rf的脉宽(例如：b1和c1)以T′_rf表示；同理，相应于T_fr的脉宽(例如：b2和c2)以T′_fr表示。理论上，b1与b2应所述相等且c1与c2应所述相等，然实际上却如图18(b)所示，在许多的第二控制信号Vs情况下，其(T′_rf-T′_fr)值均不为0(理论上应为0)。另外，参看图18(c)，在第二控制信号Vs固定在1.5V的情况下，输入10个周期的测试信号A到可调整脉宽缩减单元53′后，可发现其输出信号C各周期的(T′_rf-T′_id)值均不为0，其中T′_id表示输出信号C上占空循环(duty cycle)为50％的时间长度。为消除因为加入脉宽缩减单元53或可调整脉宽缩减单元53′所引入的误差，本发明提出以下的信号抖动分析方法对循环抖动的时间宽度(以下称第五待测信号)进行分析。

假设所述第五待测信号包含随机抖动(Random Jitter；RJ)和定量性抖动(DeterministicJitter；DJ)。针对RJ部分，可以一随机变量J_R：{j_Ri|j_R1，j_R2，...J_Rn}(还可称随机抖动流)和一常态分布N(μ，σ)来表示，即JR～N(μ，σ)，其中μ表示所述常态分布的平均值，σ表示所述常态分布的标准差。所述第五待测信号的脉宽流W：{w_i|w₁，w₂，...，w_n}为已知，且理想信号的一理想脉宽W_id也为已知。根据定义j_R2-j_R1＝w₁-W_id，j_R3-j_R2＝w₂-W_id，...。因此可推出J_R-J′_R＝W-W_id。又以信号观点而言，J_R和J′_R具有相同的统计特性，所以其相关系数(correlation coefficient)为1且进一步可推出 $W~N(\mathrm{\μ}-\mathrm{\μ}-W_{\mathrm{id}},\sqrt{{\mathrm{\σ}}^2+{\mathrm{\σ}}^2+2\mathrm{\ρ\σ\σ}})=N(-W_{\mathrm{id}},2\mathrm{\σ}).$ 因为所述第五待测信号的脉宽流W为已知，所以可计算出其标准差σ′，因此可推得σ′＝2σ。即随机抖动RJ的标准差σ可通过已知的所述第五待测信号的脉宽流W的标准差σ′乘以二分之一而得出。

针对DJ部分，先说明图19(a)和19(b)的关系。假设所述第五待测信号的DJ波形如图19(a)所示为一正弦函数，其振幅为A_m为一未知数。其中J₁，J₂，J₃…为每一采样点的采样值，其采样频率为第一待测信号data1的频率除以一降频系数k(即为本发明的信号抖动测量装置5的第一实施例中的k值)。图19(b)中的各箭头长度W′_i是图19(a)中各相邻采样值的差值W′_i(＝J_i-J_i-1)。而图19(b)所示的正弦函数图形是根据所述差值W′_i利用曲线顺应(curve fitting)所得出，其振幅为A′_m。以下为本发明的信号抖动分析方法分析DJ的步骤。首先针对所述第五待测信号进行一快速傅立叶转换(fast Fourier Transform)得出数个特征频率f_DJi，即表示所述第五待测信号包含有复数个不同特征频率f_DJi的DJ。之后根据每一个特征频率f_DJi形成一振幅为1的第一正弦函数信号。随后以第一待测信号data1的频率除以所述降频系数k为采样频率f_samp，针对每所述第一正弦函数信号进行采样，形成复数个采样值J_i。针对每所述第一正弦函数信号所得出的采样值J_i，将其相邻两采样值相减(即J_i-J_i-1)后，再利用曲线顺应形成一具一第二振幅Ka的第二正弦函数信号，其图形类似图19(b)的信号图形，但其振幅为Ka，而非A′_m。因此振幅A_m、A′_m和Ka之间可推得以下的关系：A_m/A′_m＝1/Ka。又因为A′_m即为所述第五待测信号的振幅(可由|FFT(f_DJi)|求出)且第二振幅Ka也可求得，因此DJ的振幅A_m＝A′_m/Ka即可根据上述方法求出。即，根据每所述第二振幅Ka和其相应的所述特征频率f_DJi，可计算出所述第五待测信号的一DJ的振幅。

另外，关于总抖动(total iitter；TJ)的峰到峰值和均方根值也可通过上述方法来估计。总抖动峰到峰值TJ_p-p和总抖动均方根值TJ_rms可分别经由以下式(1)和式(3)而求得。

${\mathrm{TJ}}_{p-p}=\frac{{W^{\′}}_{p-p}-2\×(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DJ}}_i\×{\mathrm{Ka}}_i)}{2}+2\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DJ}}_i---\left(1\right)$

$W_i={W^{\′}}_i\×\frac{{\mathrm{TJ}}_{p-p}}{{W^{\′}}_{P-P}}---\left(2\right)$

${\mathrm{TJ}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[w_i-E\left(W_i\right)]}^2}{n}}---\left(3\right)$

其中，W′_p-p为所述第二正弦函数信号中差值W′_i(＝J_i-J_i-1)的峰到峰值(peak-to-peak)，DJ_i为所述第五待测信号中所包含的复数个DJ的振幅值，Ka_i为其相应的DJ_i的第二振幅值，W′_i为所述第二正弦函数信号中的差值W′_i(＝J_i-J_i-1)(参看图19(b))，E(W_i)表示所述第五待测信号的脉宽流{w_i |w₁，w₂，...，w_n}的平均值(mean)。因此通过定量性抖动的振幅(DJ_i)、所述第二振幅(DJ_i)和所述第二正弦函数信号的差值(W′_i)的峰到峰值，可求出总抖动峰到峰值(TJ_p-p)。另外，通过所述总抖动峰到峰值(TJ_p-p)和所述第二正弦函数信号的差值(W′_i)的峰到峰值，可得出一总抖动均方根值TJ_rms。

本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域得技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为以上的权利要求书所涵盖。

Claims (48)

1.一种时间数字转换装置，其特征在于配合一频率信号运作，用以将一待测信号转换成一数字数据，所述时间数字转换装置包含：

一缩宽胞群，用以将所述待测信号转换成复数个第一数字输出码，其包含复数个缩宽胞，所述复数个缩宽胞依序串接形成复数级缩宽胞，且每级缩宽胞输出一所述第一数字输出码；和

一缩宽闩锁胞群，包含与所述缩宽胞相同数目的缩宽闩锁胞，每缩宽闩锁胞与每缩宽胞一对一互相对应连接，且接收所述第一数字输出码进行闩锁以产生一第二数字输出码。

2.根据权利要求1所述的时间数字转换装置，其特征在于所述待测信号经每缩宽胞后其脉宽缩减一解析量，直到所述脉宽无法驱动后级缩宽胞。

3.根据权利要求2所述的时间数字转换装置，其特征在于所述缩宽胞包含：

一第一互补式金氧半导体反相器，用以接收一输入信号，并产生一中间信号；

一第二互补式金氧半导体反相器，用以接收所述中间信号，并产生一输出信号；

和

一调整单元，用以接收所述中间信号和所述输出信号并以一控制信号来调整所述解析量的大小。

4.根据权利要求3所述的时间数字转换装置，其特征在于所述第一级缩宽胞的输入信号是所述待测信号。

5.根据权利要求3所述的时间数字转换装置，其特征在于所述调整单元包含：

一P型金氧半导体组件，是利用一第一端点接收所述输出信号，利用一第二端点接收一电源，利用一第三端点接收所述中间信号；和

一N型金氧半导体组件，是利用一第四端点连接所述第一端点且接收所述输出信号，利用一第五端点连接所述第三端点且接收所述中间信号，利用一第六端点接受所述控制信号。

6.根据权利要求5所述的时间数字转换装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞接收来自与所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码后，输出一与所述第一数字输出码相同电平信号。

7.根据权利要求5所述的时间数字转换装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞是一正反器，所述正反器的频率输入埠接收所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码且所述正反器的输入埠连接所述电源。

8.根据权利要求1所述的时间数字转换装置，其特征在于所述第二数字输出码是以温度计编码的方式表示。

9.根据权利要求1所述的时间数字转换装置，其特征在于所述第二数字输出码是输出到以下装置进行处理：

一优先编码器，用以将所述第二数字输出码转换成至少一第三数字输出码；和

一输出闩锁单元，用以存储所述第三数字输出码并在接受一触发信号后输出所述第三数字输出码。

10.根据权利要求9所述的时间数字转换装置，其特征在于所述第三数字输出码是二进制数。

11.一种信号抖动测量装置，其特征在于包含：

一输入控制器，用以将一第一频率信号的频率降低一奇数倍而成一第二频率信号和产生一与所述第二频率信号具一时间延迟的一第三频率信号；

一采样保持电路，是配合所述第三频率信号的高低电平，用以将具一第一脉宽的

一第一待测信号转换成具一第二脉宽的一第二待测信号；

一脉宽调制单元，是配合一边界检测阈值将所述第二待测信号转换成具一第三脉宽的一第三待测信号；

一脉宽缩减单元，用以将所述第三待测信号的所述第三脉宽缩减成具一第四脉宽的一第四待测信号；

一时间数字转换装置，用以将所述第四待测信号转换成至少一第二数字输出码；

和

一闩锁控制器，是利用来自所述输入控制器的所述第二频率信号以产生一输出重置信号到所述时间数字转换装置和产生一触发信号。

12.根据权利要求11所述的信号抖动测量装置，其特征在于边界检测阈值的大小是小于一电源电压值的20％或大于所述电源电压值的80％。

13.根据权利要求11所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述脉宽缩减单元包含：

偶数个反相器，所述偶数个反相器是依序串接，用以接收所述第三待测信号；和一反互斥或逻辑门，是串接在所述偶数个反相器之后，且同时接收所述第三待测信号，用以产生所述第四待测信号。

14.根据权利要求11所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述时间数字转换装置，包含：

一缩宽胞群，用以将所述第四待测信号转换成复数个第一数字输出码，其包含复数个缩宽胞，所述复数个缩宽胞依序串接形成复数级缩宽胞，且每级缩宽胞输出

一所述第一数字输出码；和

一缩宽闩锁胞群，包含与所述缩宽胞相同数目的缩宽闩锁胞，每缩宽闩锁胞与每缩宽胞一对一互相对应连接，且接收所述第一数字输出码进行闩锁以产生所述第二数字输出码。

15.根据权利要求14所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第四待测信号经每缩宽胞后其脉宽缩减一解析量，直到所述脉宽无法驱动后级缩宽胞。

16.根据权利要求15所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽胞包含：

一第一互补式金氧半导体反相器，用以接收一输入信号，并产生一中间信号；

一第二互补式金氧半导体反相器，用以接收所述中间信号，并产生一输出信号；

和

一调整单元，用以接收所述中间信号和所述输出信号并以一控制信号来调整所述解析量的大小。

17.根据权利要求16所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第一级缩宽胞的输入信号是所述第四待测信号。

18.根据权利要求16所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述调整单元包含：

一P型金氧半导体组件，是利用一第一端点接收所述输出信号，利用一第二端点接收一电源，利用一第三端点接收所述中间信号；和

一N型金氧半导体组件，是利用一第四端点连接所述第一端点且接收所述输出信号，利用一第五端点连接所述第三端点且接收所述中间信号，利用一第六端点接受所述控制信号。

19.根据权利要求18所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞接收来自与所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码后，输出一与所述第一数字输出码相同电平信号。

20.根据权利要求18所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞是一正反器，所述正反器的频率输入埠接收与所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码，且所述正反器的输入埠是连接所述电源。

21.根据权利要求11所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第二数字输出码是以温度计编码的方式表示。

22.根据权利要求15所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第二数字输出码是输出到以下装置进行处理：

一优先编码器，用以将所述第二数字输出码转换成至少一第三数字输出码；和

一输出闩锁单元，用以存储所述第三数字输出码并在接受所述触发信号后输出所述第三数字输出码。

23.根据权利要求22所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述触发信号是由所述闩锁控制器产生。

24.根据权利要求22所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第三数字输出码是一二进制数。

25.根据权利要求24所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述二进制数与所述解析量的乘积是表示所述第一待测信号的循环抖动的时间宽度。

26.一种信号抖动测量装置，其特征在于包含：

一输入控制器，用以将一第一待测信号转换成一采样保持控制信号；

一采样保持电路，是配合所述采样保持控制信号，将所述第一待测信号转换成具

一第二脉宽的一第二待测信号；

一脉宽调制单元，是配合一边界检测阈值将所述第二待测信号转换成具一第三脉宽的一第三待测信号；

一可调整脉宽缩减单元，用以将所述第三待测信号的所述第三脉宽缩减成具一第四脉宽的一第四待测信号；

一时间数字转换装置，用以将所述第四待测信号转换成至少一第二数字输出码；

和

一闩锁控制器，是接收来自所述可调整脉宽缩减单元的一第一控制信号以产生一输出重置信号到所述时间数字转换装置和产生一触发信号。

27.根据权利要求26所述的信号抖动测量装置，其特征在于边界检测阈值的大小是小于

一电源电压值的20％或大于所述电源电压值的80％。

28.根据权利要求26所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述可调整脉宽缩减单元包含：

偶数个反相器，所述偶数个反相器是依序串接，其包含置于前后的两个固定式反相器和和置于中间的偶数个可调式反相器，所述偶数个反相器是用以接收所述第三待测信号；和

一反互斥或逻辑门，是串接在所述偶数个反相器之后，且同时接收所述第三待测信号，用以产生所述第四待测信号；

其中所述第四待测信号的脉宽可通过一第二控制信号调整。

29.根据权利要求26所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述时间数字转换装置，包含：

一缩宽胞群，用以将所述第四待测信号转换成复数个第一数字输出码，其包含复数个缩宽胞，所述复数个缩宽胞依序串接形成复数级缩宽胞，且每级缩宽胞输出

一所述第一数字输出码；和

一缩宽闩锁胞群，包含与所述缩宽胞相同数目的缩宽闩锁胞，每缩宽闩锁胞与每缩宽胞一对一互相对应连接，且接收所述第一数字输出码进行闩锁以产生所述第二数字输出码。

30.根据权利要求29所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第四待测信号经每缩宽胞后其脉宽缩减一解析量，直到所述脉宽无法驱动后级缩宽胞。

31.根据权利要求30所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽胞包含：

一第一互补式金氧半导体反相器，用以接收一输入信号，并产生一中间信号；

一第二互补式金氧半导体反相器，用以接收所述中间信号，并产生一输出信号；

和

一调整单元，用以接收所述中间信号和所述输出信号并以一第三控制信号来调整所述解析量的大小。

32.根据权利要求31所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞接收来自与所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码后，输出一与所述第一数字输出码相同电平信号。

33.根据权利要求31所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述缩宽闩锁胞是一正反器，所述正反器的频率输入埠接收与所述缩宽闩锁胞相对应的所述第一数字输出码，且所述正反器的输入埠是连接一电源。

34.根据权利要求26所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第二数字输出码是以温度计编码的方式表示。

35.根据权利要求31所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第二数字输出码是输出到以下装置进行处理：

一优先编码器，用以将所述第二数字输出码转换成至少一第三数字输出码；和

一输出闩锁单元，用以存储所述第三数字输出码并在接受所述触发信号后输出所述第三数字输出码。

36.根据权利要求35所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述触发信号是由所述闩锁控制器产生。

37.根据权利要求35所述的信号抖动测量装置，其特征在于所述第三数字输出码是一二进制数且所述二进制数与所述解析量的乘积是表示所述第一待测信号的循环抖动的时间宽度。

38.一种时间数字转换方法，其特征在于包含下列步骤：

将一待测信号的脉宽依序缩减一解析量以产生复数个第一数字输出码；

将所述复数个第一数字输出码进行闩锁处理以产生复数个第二数字输出码。

39.根据权利要求38所述的时间数字转换方法，其特征在于所述复数个第二数字输出码是以温度计编码方式表示。

40.根据权利要求38所述的时间数字转换方法，其特征在于包含将所述复数个第二数字输出码转换成至少一以二进制数表示的第三数字输出码的步骤。

41.根据权利要求40所述的时间数字转换方法，其特征在于所述第三数字输出码的输出是以一触发信号控制。

42.根据权利要求38所述的时间数字转换方法，其特征在于所述第一待测信号的脉宽包含另一待测信号的升、降缘。

43.一种信号抖动分析方法，其特征在于包含以下步骤：

提供一具一脉宽流的待测信号和一具一理想脉宽的理想信号；

计算所述脉宽流的标准差；和

根据所述脉宽流的标准差，计算所述待测信号的随机抖动流的标准差。

44.根据权利要求43所述的信号抖动分析方法，其特征在于所述待测信号的随机抖动流的标准差是所述脉宽流所述的标准差的二分之一。

45.根据权利要求43所述的信号抖动分析方法，其特征在于另外包含以下步骤：

针对所述待测信号进行一快速傅立叶转换，计算出复数个特征频率；

根据每所述特征频率，形成一振幅大小为1的第一正弦函数信号；

根据一采样频率和一降频系数，针对每所述第一正弦函数信号进行采样，形成依序排列的复数个采样值；

根据每所述第一正弦函数信号的所述采样值，将相邻两个所述采样值相减，以形成一具一第二振幅的第二正弦函数信号；和

根据每所述第二振幅和其相应的所述特征频率，计算出所述待测信号的一定量性抖动的振幅。

46.根据权利要求45所述的信号抖动分析方法，其特征在于另外包含以下步骤：

根据所述定量性抖动的振幅、所述第二振幅和所述第二正弦函数信号的差值的峰到峰值，计算一总抖动峰到峰值；和

根据所述总抖动峰到峰值和所述第二正弦函数信号的差值的峰到峰值，计算一总抖动均方根值。

47.根据权利要求46所述的信号抖动分析方法，其特征在于所述总抖动峰到峰值由下式定义：

${\mathrm{TJ}}_{p-p}=\frac{{W^{\′}}_{p-p}-2\×(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DJ}}_i\×{\mathrm{Da}}_i)}{2}+2\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DJ}}_i,$

其中TJ_p-p为所述总抖动峰到峰值，W′_p-p为所述第二正弦函数信号的差值的峰到峰值，DJ_i为所述待测信号中所包含的定量性抖动的振幅，Ka_i为其相应的DJ_i的第二振幅值。

48.根据权利要求46所述的信号抖动分析方法，其特征在于所述总抖动均方根值由下二式所定义：

$W_i={W^{\′}}_i\×\frac{{\mathrm{TJ}}_{p-p}}{{W^{\′}}_{p-p}};$ 和

${\mathrm{TJ}}_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[w_i-E\left(W_i\right)]}^2}{n}},$

其中TJ_rms为所述总抖动均方根值，TJ_p-p为所述总抖动峰到峰值，W′_p-p为所述第二正弦函数信号的差值的峰到峰值，W′_i为所述第二正弦函数信号的差值，E(W_i)为所述待测信号的脉宽流{w_i |w₁，w₂，...，w_n}的平均值。

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