數(shù)字定時： 時鐘信號、抖動、遲滯和眼圖

　　穩(wěn)定時間

　　當(dāng)數(shù)字信號到達(dá)電壓電平后，電壓會小幅反彈并穩(wěn)定到一個常數(shù)值。 穩(wěn)定時間(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間。 在進(jìn)行數(shù)字信號采集的情況下，整個過程的穩(wěn)定時間是指信號達(dá)到特定精確度并保持在該范圍所需要的總時間。

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

　　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)換之間探測到的電壓電平差。

　　遲滯是一個有用的數(shù)字儀器屬性，因為它可以幫助數(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)換時的高邊沿速率反射，如果某個電壓閾值在邏輯狀態(tài)下發(fā)生改變，那么這些噪聲就會導(dǎo)致數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生錯誤的電平轉(zhuǎn)換探測。 圖11展示了這一現(xiàn)象。第一個樣本作為邏輯低電平被捕獲。 第二個樣本仍然是邏輯低電平，因為信號還沒有達(dá)到高電平閾值。 第三個和第四個樣本是邏輯高電平，第五個是邏輯低電平。

　　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和遲滯都會讓系統(tǒng)具有一定的抗噪水平，但是對于特定的邏輯系列，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，您需要仔細(xì)檢查系統(tǒng)的信號質(zhì)量，并依此決定您是需要提高高電平和低電平(更大的NIM)時的抗噪性還是需要提轉(zhuǎn)換(更多的遲滯)時的抗噪性。

　　偏斜

　　偏斜是時鐘信號在不同時間到達(dá)不同部分。 與漂移不同的是，時鐘信號具有相同的周期;只不過它們到達(dá)的時間不相同。 達(dá)到時間的不同可能由很多因素引起，這些因素包括導(dǎo)線長度、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，每個數(shù)據(jù)通道采樣的時間點和其他數(shù)據(jù)通道的采樣時間點各不相同，但是每次時間差都會處在一個很小的窗口時間范圍內(nèi)，這個窗口時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

　　眼圖是一種定時分析工具，可以幫助您直觀地查看定時錯誤和電平錯誤。 在現(xiàn)實生活中類似于抖動這樣的誤差很難量化，因為它經(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，同樣也可以發(fā)現(xiàn)測量偏差、上升時間、下降時間以及其他誤差等。 隨著誤差的增大，眼圖中心的白色區(qū)域逐漸減小。

　　眼圖通過對數(shù)字信號的不同部分進(jìn)行覆蓋掃描得到。 它應(yīng)包含每種可能的位序列，包括簡單的高到低轉(zhuǎn)變以及經(jīng)過長時間一致性運(yùn)行后的隔離轉(zhuǎn)變。 當(dāng)重疊發(fā)生時，眼圖看起來像個眼睛。 眼圖是理解設(shè)計信號完整性的一種可視化方法。 請記住，眼圖給出了信號的參數(shù)信息，但是它不能探測邏輯問題或協(xié)議錯誤，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。 這一電平的計算與高電平計算取相同區(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)，它通過測量眼圖中眼睛圖交叉點的水平間距得到。 它是數(shù)據(jù)速率的倒數(shù)。 在生成眼圖時，用單位間隔取代時間作為橫軸坐標(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)實中這種理想情況幾乎不會發(fā)生。 同樣地，在系統(tǒng)中噪聲越大眼高就越小。 眼高反應(yīng)了信號的信噪比。 眼寬是指眼圖的水平開口。它通過計算眼圖交叉點統(tǒng)計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稱問題。 理想信號的眼圖交叉百分比是50%;當(dāng)百分比發(fā)生偏離，眼圖會閉上，則表明信號完整度降低。

　　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給出了實際眼圖的其他測量值。

　　圖中的上升時間是所有上升時間的平均值。 斜率指對定時誤差的敏感度，其值越小越好。 圖中的下降時間是所有下降時間的平均值。 斜率指對定時誤差的敏感度，其值越小越好。 邏輯高電平的值寬是指信號的失真總量(由信噪比決定)。 采樣點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。 信號的抖動 當(dāng)信噪比達(dá)到最佳值時眼圖的開口達(dá)到最大，此時是采樣的最佳時間。

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

　　3. 總結(jié)

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

　　眼圖是一種定時分析工具，可以幫助您直觀地查看定時錯誤和電平錯誤。