數(shù)字定時(shí)： 時(shí)鐘信號(hào)、抖動(dòng)、遲滯和眼圖

　　了解時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)字定時(shí)以及諸如抖動(dòng)、漂移、上升時(shí)間、下降時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、遲滯和眼圖等常用術(shù)語。 本教程是儀器基礎(chǔ)教程系列的一部分。

　　1. 時(shí)鐘信號(hào)

　　發(fā)送數(shù)字信號(hào)其實(shí)發(fā)送的就是一串由0或1組成的數(shù)字序列。 然而，與不同設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，定時(shí)信息要與發(fā)送的位相關(guān)聯(lián)。 數(shù)字波形作為時(shí)鐘信號(hào)的參考。 您可以將時(shí)鐘信號(hào)看成是一個(gè)指揮者，它為數(shù)字電路系統(tǒng)的各個(gè)部分提供定時(shí)信號(hào)，使每個(gè)過程都可在精確的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)。

　　時(shí)鐘信號(hào)是具有固定周期的方波。 周期是指一個(gè)時(shí)鐘邊沿到下一個(gè)同類時(shí)鐘邊沿之間的時(shí)間間隔，最常用的方式是一個(gè)上升沿到下一個(gè)上升沿之間的時(shí)間間隔。 時(shí)鐘的頻率等于時(shí)鐘周期的倒數(shù)。

　　圖1. 數(shù)字波形作為時(shí)鐘信號(hào)的參考，時(shí)鐘信號(hào)具有固定周期，在數(shù)據(jù)傳輸過程中用固定的時(shí)間間隔來同步數(shù)字信號(hào)發(fā)射器和接收器。

　　時(shí)鐘信號(hào)的占空比是波形處于所占的時(shí)間比。 圖2展示了兩個(gè)具有不同占空比的波形的區(qū)別 您可以發(fā)現(xiàn)占空比為30%的波形處于的時(shí)間少于占空比為50%的波形。

　　圖2.信號(hào)的占空比是指波形處于的時(shí)間百分比。

　　時(shí)鐘信號(hào)用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中同步數(shù)字信號(hào)發(fā)射器和接收器。 比如，發(fā)射器可以在時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)上升沿發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位，接收器可使用相同的時(shí)鐘讀取數(shù)據(jù)。 在這種情況下，設(shè)備的確定邊沿是上升沿(從低電平到高電平)。 對(duì)于其他設(shè)備則可能是下降沿(從高電平到低電平)。 時(shí)鐘的確定邊沿又稱為有效時(shí)鐘邊沿。 數(shù)字信號(hào)發(fā)射器在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿觸發(fā)新的數(shù)據(jù)發(fā)送，而接收器則在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿上進(jìn)行采樣。 后來的設(shè)備開始同時(shí)使用時(shí)鐘的上升驗(yàn)和下降沿;這種設(shè)備被稱為雙倍數(shù)據(jù)速率傳輸(DDR)設(shè)備。 事實(shí)上，數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于有效邊沿有短暫的短延;這種延時(shí)稱為時(shí)鐘到輸出時(shí)間。

　　當(dāng)接收器依據(jù)采集時(shí)鐘接收數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要注意兩個(gè)定時(shí)參數(shù)，以確保接收數(shù)據(jù)的可靠性。 建立時(shí)間(ts)是指數(shù)據(jù)連續(xù)處于有效邏輯電平且接收器準(zhǔn)備好接收輸入信號(hào)所需的時(shí)間。 保持時(shí)間(tH)是指接收器采樣后，數(shù)據(jù)發(fā)生變化前需要保持在原有狀態(tài)的時(shí)間。 建立時(shí)間和保持時(shí)間在接收器的時(shí)鐘有效邊沿附近形成了一個(gè)穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。 圖3給出了一個(gè)上升沿時(shí)鐘信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間。 通常，數(shù)字信號(hào)會(huì)在上升軌跡的中間切換電壓;因此時(shí)間基準(zhǔn)標(biāo)志通常放置在信號(hào)邊沿的正中央。

　　圖3.建立時(shí)間和保持時(shí)間在接收器的時(shí)鐘有效邊沿附近形成了一個(gè)穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。

　　2. 常用術(shù)語

　　在數(shù)字電路系統(tǒng)中，定時(shí)是最重要的因素之一。 數(shù)字通信的可靠性和精確度均取決于定時(shí)的質(zhì)量。 然而，在實(shí)際應(yīng)用中，任何事物都不是理想的。 以下是一些可以幫助您理解特定數(shù)字信號(hào)定時(shí)功能的常用術(shù)語和方法。

　　抖動(dòng)

　　抖動(dòng)是指事件的理想定時(shí)與實(shí)際定時(shí)之間的偏差。 為了理解這個(gè)概念，假設(shè)您正在發(fā)送一個(gè)數(shù)字正弦波并在坐標(biāo)紙上繪制其圖形。 每個(gè)正方形相當(dāng)于一個(gè)時(shí)鐘脈沖;由于垂直線之間的間隔是等距的，因此最后我們可以得到一個(gè)完美的周期性時(shí)鐘信號(hào)。 在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上，您獲取3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并將各點(diǎn)繪制在坐標(biāo)紙上。 由于它具有周期性，因此您得到一個(gè)精準(zhǔn)的正弦波。

　　圖4. 周期性采樣時(shí)鐘可讓數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行正確、精準(zhǔn)的通信。

　　現(xiàn)在，我們假設(shè)垂直線之間不是等距的。 這樣會(huì)使時(shí)鐘信號(hào)的周期性不那么明顯。 當(dāng)您繪制數(shù)據(jù)時(shí)，它們之間的間隔并不相同，因此看起來不正確。

　　圖5. 如果時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生了抖動(dòng)，將引起數(shù)字波形發(fā)生變形。

　　在圖5中，您可以看到時(shí)鐘信號(hào)電平的切換距離是不均勻的;這就是時(shí)鐘的抖動(dòng)。 盡管上圖抖動(dòng)較為夸張，但是它說明了抖動(dòng)的時(shí)鐘會(huì)導(dǎo)致采樣在不均勻的時(shí)間間隔上觸發(fā)。 這種不均勻?qū)е乱涗浐蛷?fù)制的波形發(fā)生變形。

　　現(xiàn)在看看只有1和只有0的數(shù)字信號(hào)的抖動(dòng)。 請(qǐng)記住，抖動(dòng)是指事件的理想定時(shí)與真實(shí)定時(shí)之間的偏差。 請(qǐng)注意單脈沖，抖動(dòng)是指實(shí)際信號(hào)邊沿定時(shí)與理想時(shí)間位置的偏差。

　　圖6.單脈沖抖動(dòng)是邊沿定時(shí)的偏差

　　抖動(dòng)通常從基準(zhǔn)信號(hào)的過零點(diǎn)處測(cè)量。 它通常來自于串?dāng)_、同步轉(zhuǎn)換輸出和其他定期發(fā)生的干擾信號(hào)。 抖動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生改變，因此抖動(dòng)的測(cè)量和量化可以是在秒級(jí)抖動(dòng)范圍內(nèi)通過示波器進(jìn)行目視估算，也可以是按統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量，比如標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化。

　　漂移

　　另一個(gè)常見的定時(shí)問題是漂移。 當(dāng)發(fā)射器的時(shí)鐘周期與接收器的周期稍有不同時(shí)便會(huì)發(fā)生時(shí)鐘漂移。 起初，這種漂移影響不大。 然而，隨著時(shí)間的推移，這兩種時(shí)鐘信號(hào)之間的差別可能會(huì)變得顯著，并導(dǎo)致同步失敗或其他問題。

　　上升時(shí)間、下降時(shí)間和畸變

　　從理論上講，即使存在漂移，數(shù)字信號(hào)電平從0變化到1也只是瞬間發(fā)生。 然而，在實(shí)際中，信號(hào)從高電平變到低電平需要一定的時(shí)間。 上升時(shí)間(trise)是指信號(hào)從低電平變化到高電平，也就是從電壓的20%上升到80%所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間(tfall) 是指信號(hào)從低電平變化到高電平，也就是從電壓的80%下降到20%所需要的時(shí)間。

　　圖7.上升時(shí)間和下降時(shí)間指示了信號(hào)在低電平和高電平之間轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。

　　此外，在真實(shí)情況下，信號(hào)幾乎不會(huì)達(dá)到電壓電平并穩(wěn)定地保持在該電平上。 當(dāng)信號(hào)在邊沿之后超過電壓電平時(shí)，峰值失真被稱為過沖。 如果信號(hào)在邊沿之前超過了電壓電平時(shí)，峰值失真被稱為前沖。 在邊沿之間，如果信號(hào)漂移低于電壓電平時(shí)，則稱為下沖。

　　圖8.過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。

　　過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。 偏差的發(fā)生可能是由于電路板布局問題、不適時(shí)的終止或者半導(dǎo)體設(shè)備本身的質(zhì)量問題。

　　穩(wěn)定時(shí)間

　　當(dāng)數(shù)字信號(hào)到達(dá)電壓電平后，電壓會(huì)小幅反彈并穩(wěn)定到一個(gè)常數(shù)值。 穩(wěn)定時(shí)間(ts)是指放大器、繼電器或者其他電路達(dá)到穩(wěn)定操作模式所需要的時(shí)間。 在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)采集的情況下，整個(gè)過程的穩(wěn)定時(shí)間是指信號(hào)達(dá)到特定精確度并保持在該范圍所需要的總時(shí)間。

　　圖9.穩(wěn)定時(shí)間是指信號(hào)達(dá)到特定精確度并保持在該范圍所需要的總時(shí)間。

　　遲滯

　　遲滯是指從邏輯低電平到邏輯高電平以及從邏輯高電平到邏輯低電平的轉(zhuǎn)換之間探測(cè)到的電壓電平差。 它等于輸入低電壓減去輸入高電壓。

　　圖10.遲滯是指從邏輯低電平到邏輯高電平以及從邏輯高電平到邏輯低電平的轉(zhuǎn)換之間探測(cè)到的電壓電平差。

　　遲滯是一個(gè)有用的數(shù)字儀器屬性，因?yàn)樗梢詭椭鷶?shù)字系統(tǒng)過濾掉一些高頻率的噪聲。 這些噪聲的產(chǎn)生通常是由于邏輯電平轉(zhuǎn)換時(shí)的高邊沿速率反射，如果某個(gè)電壓閾值在邏輯狀態(tài)下發(fā)生改變，那么這些噪聲就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤的電平轉(zhuǎn)換探測(cè)。 圖11展示了這一現(xiàn)象。第一個(gè)樣本作為邏輯低電平被捕獲。 第二個(gè)樣本仍然是邏輯低電平，因?yàn)樾盘?hào)還沒有達(dá)到高電平閾值。 第三個(gè)和第四個(gè)樣本是邏輯高電平，第五個(gè)是邏輯低電平。

　　圖11. 遲滯可以過濾掉數(shù)字系統(tǒng)中部分高頻噪聲。

　　對(duì)于具有恒定電壓閾值的設(shè)備，系統(tǒng)的抗噪容量(NIM)和遲滯由用戶選擇的系統(tǒng)組件決定。 系統(tǒng)NIM和遲滯都會(huì)讓系統(tǒng)具有一定的抗噪水平，但是對(duì)于特定的邏輯系列，在這兩者之間總是存在一定的取舍—遲滯越多，NIM就越小，反之亦然。 在確定如何設(shè)置電壓閾值時(shí)，您需要仔細(xì)檢查系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量，并依此決定您是需要提高高電平和低電平(更大的NIM)時(shí)的抗噪性還是需要提轉(zhuǎn)換(更多的遲滯)時(shí)的抗噪性。

　　偏斜

　　偏斜是時(shí)鐘信號(hào)在不同時(shí)間到達(dá)不同部分。 與漂移不同的是，時(shí)鐘信號(hào)具有相同的周期;只不過它們到達(dá)的時(shí)間不相同。 達(dá)到時(shí)間的不同可能由很多因素引起，這些因素包括導(dǎo)線長(zhǎng)度、溫度變化以及輸入電容的不同。 通道間偏斜通常指設(shè)備上所有數(shù)據(jù)通道的偏斜。 每次采集樣本時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)通道采樣的時(shí)間點(diǎn)和其他數(shù)據(jù)通道的采樣時(shí)間點(diǎn)各不相同，但是每次時(shí)間差都會(huì)處在一個(gè)很小的窗口時(shí)間范圍內(nèi)，這個(gè)窗口時(shí)間范圍稱為通道間偏斜。

　　圖12. 通道間偏斜通常指設(shè)備上所有數(shù)據(jù)通道的偏斜。

　　眼圖

　　眼圖是一種定時(shí)分析工具，可以幫助您直觀地查看定時(shí)錯(cuò)誤和電平錯(cuò)誤。 在現(xiàn)實(shí)生活中類似于抖動(dòng)這樣的誤差很難量化，因?yàn)樗?jīng)常變化，而且變化量很小。 因此，眼圖可以精確發(fā)現(xiàn)最大抖動(dòng)，同樣也可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量偏差、上升時(shí)間、下降時(shí)間以及其他誤差等。 隨著誤差的增大，眼圖中心的白色區(qū)域逐漸減小。

　　眼圖通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的不同部分進(jìn)行覆蓋掃描得到。 它應(yīng)包含每種可能的位序列，包括簡(jiǎn)單的高到低轉(zhuǎn)變以及經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間一致性運(yùn)行后的隔離轉(zhuǎn)變。 當(dāng)重疊發(fā)生時(shí)，眼圖看起來像個(gè)眼睛。 眼圖是理解設(shè)計(jì)信號(hào)完整性的一種可視化方法。 請(qǐng)記住，眼圖給出了信號(hào)的參數(shù)信息，但是它不能探測(cè)邏輯問題或協(xié)議錯(cuò)誤，比如當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送高電平但卻發(fā)送出低電平。

　　圖13展示了眼圖的常用術(shù)語。

　　高電平，又稱為1電平，是邏輯高電平的主值。 邏輯高電平的計(jì)算值等于眼圖周期20%處所捕獲到的所有數(shù)據(jù)樣本的平均值。 低電平，又稱為0電平，是邏輯低電平的主值。 這一電平的計(jì)算與高電平計(jì)算取相同區(qū)域。 眼圖的振幅是指高電平與低電平之間的差值。 位周期又稱為單位間隔(UI)，它通過測(cè)量眼圖中眼睛圖交叉點(diǎn)的水平間距得到。 它是數(shù)據(jù)速率的倒數(shù)。 在生成眼圖時(shí)，用單位間隔取代時(shí)間作為橫軸坐標(biāo)，就可以很容易地比較不同數(shù)據(jù)速率的眼圖。 眼高是指眼圖的豎直開口。 理論上來講，其值應(yīng)該等于振幅，但是由于有噪聲的存在，現(xiàn)實(shí)中這種理想情況幾乎不會(huì)發(fā)生。 同樣地，在系統(tǒng)中噪聲越大眼高就越小。 眼高反應(yīng)了信號(hào)的信噪比。 眼寬是指眼圖的水平開口。它通過計(jì)算眼圖交叉點(diǎn)統(tǒng)計(jì)平均值之間的差得到。 眼圖交叉百分比是指占空比扭曲或脈沖對(duì)稱問題。 理想信號(hào)的眼圖交叉百分比是50%;當(dāng)百分比發(fā)生偏離，眼圖會(huì)閉上，則表明信號(hào)完整度降低。

　　圖13. 圖中顯示了眼圖的高電平(A)、低電平(B)、振幅(C)、位周期(D)、眼高(E)、眼寬(F)以及交叉百分比(G)。

　　圖14給出了實(shí)際眼圖的其他測(cè)量值。

　　圖中的上升時(shí)間是所有上升時(shí)間的平均值。 斜率指對(duì)定時(shí)誤差的敏感度，其值越小越好。 圖中的下降時(shí)間是所有下降時(shí)間的平均值。 斜率指對(duì)定時(shí)誤差的敏感度，其值越小越好。 邏輯高電平的值寬是指信號(hào)的失真總量(由信噪比決定)。 采樣點(diǎn)的信噪比是指從眼寬到底部的距離或者到邏輯高電壓的距離。 信號(hào)的抖動(dòng) 當(dāng)信噪比達(dá)到最佳值時(shí)眼圖的開口達(dá)到最大，此時(shí)是采樣的最佳時(shí)間。

　　圖14.圖中顯示了眼圖的上升時(shí)間(A)、下降時(shí)間(B)、失真(C)、信噪比(D)、抖動(dòng)(E)、采樣最佳時(shí)間(F)。

　　3. 總結(jié)

　　使用數(shù)字波形作為時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)具有固定周期，在數(shù)據(jù)傳輸過程中同步數(shù)字信號(hào)發(fā)射器和接收器。 時(shí)鐘信號(hào)的占空比是波形周期的百分比，也就是波形處于邏輯高電平所占的時(shí)間比。 時(shí)鐘的確定邊沿又稱為有效時(shí)鐘邊沿。 建立時(shí)間和保持時(shí)間在接收器的時(shí)鐘有效邊沿附近形成了一個(gè)穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。 抖動(dòng)是指事件的理論時(shí)間和實(shí)際時(shí)間之間的偏差;它會(huì)引起信號(hào)的失真。 當(dāng)發(fā)射器的時(shí)鐘周期與接收器的周期稍有不同時(shí)便會(huì)發(fā)生時(shí)鐘漂移，它將會(huì)導(dǎo)致同步失敗和其他錯(cuò)誤。 上升時(shí)間和下降時(shí)間指示了信號(hào)在低電平和高電平之間轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。 過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差，是系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的指示。 穩(wěn)定時(shí)間是指信號(hào)達(dá)到一定的精度并保持在這個(gè)精度范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。 遲滯可以過濾掉數(shù)字系統(tǒng)中的部分高頻噪聲。 偏斜會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)在不同時(shí)間到達(dá)不同分量。

　　眼圖是一種定時(shí)分析工具，可以幫助您直觀地查看定時(shí)錯(cuò)誤和電平錯(cuò)誤。