Основы глазковой диаграммы: чтение и применение глазковых диаграмм
Увеличение скоростей передачи данных, бо́льшая сложность проектирования, требования стандартов и сокращение временных периодов предъявляют повышенные требования к инженерам-проектировщикам для скорейшего устранения сложных проблем целостности сигналов. Поскольку сегодняшние последовательные каналы передачи данных работают на гигагерцовых частотах передачи, на целостность сигналов может повлиять множество переменных, включая влияние линии передачи, рассогласование импедансов, разводку сигналов, оконечные схемы и схемы земли. Используя осциллограф для создания глазковой диаграммы, инженеры могут быстро оценить производительность системы и понять природу дефектов канала связи, которые могут привести к ошибкам, когда приемник пытается интерпретировать значение бита.
При передаче от передатчика к приемнику последовательный цифровой сигнал может ухудшаться. Передатчик, дорожки печатной платы, разъемы и кабели будут создавать помехи, которые ухудшают сигнал, как по амплитуде, так и по времени. Сигнал также может пострадать от внутренних источников. Например, когда сигналы на соседних парах трасс печатной платы или на выводах микросхемы переключаются, перекрестные связи между этими сигналами могут создавать помехи другим сигналам. Таким образом, вам нужно определить, в какую точку поместить щуп осциллографа, чтобы получить глазковую диаграмму, которая поможет вам определить источник проблемы. Кроме того, в зависимости от того, куда вы поместите щуп осциллографа, сигналы на экране будут различаться.
Получение глазковой диаграммы
Глазковая диаграмма – это распространенный индикатор качества сигналов в высокоскоростных цифровых системах передачи. Осциллограф формирует глазковую диаграмму, накладывая развертки различных сегментов длинного потока данных, управляемые главным источником синхронизации. Фронт запуска может быть положительным или отрицательным, но отображаемый импульс, который появляется после периода задержки, может идти в любом направлении; нет способов заранее узнать значение произвольного бита. Следовательно, когда наложено много таких переходов, положительные и отрицательные импульсы накладываются друг на друга. Наложение множества битов дает глазковую диаграмму, называемую так, потому что получающееся изображение выглядит как открывание глаза.
В идеальном мире глазковые диаграммы выглядят как прямоугольные коробки. В реальности, каналы связи не идеальны, поэтому переходы не идеально выровнены друг с другом, и в результате получается рисунок в форме глаза. Форма глазковой диаграммы на осциллографе будет зависеть от различных типов сигналов запуска, таких как сигнал запуска с тактовой частотой потока, сигнал запуска с деленной тактовой частотой потока, запуск по кодовой комбинации (pattern trigger). Различия по времени и амплитуде от бита к биту приводят к уменьшению открытия глаза.
Интерпретация глазковой диаграммы
Правильно построенный глаз должен содержать каждую возможную битовую последовательность от простых чередующихся единиц и нулей до изолированных единиц после продолжительных последовательностей нулей и всех других шаблонов, которые могут обнаружить недостатки в конструкции. Глазковые диаграммы обычно включают в себя выборки напряжения и времени для данных, полученные с некоторой частотой дискретизации ниже скорости передачи данных. На рисунке 1 битовые последовательности 011, 001, 100 и 110 накладываются друг на друга, чтобы получить окончательную глазковую диаграмму.
Идеальная глазковая диаграмма содержит огромное количество параметрической информации о сигнале, подобно эффектам, вытекающим из физики, независимо от того, как эти эффекты возникают. Если логическая 1 настолько искажена, что приемник на дальнем конце может неверно принять ее за логический 0, вы легко заметите это по глазковой диаграмме. Однако по ней вы не сможете обнаружить проблемы логики или протокола, например, когда система должна передавать логический 0, но отправляет логическую 1, или когда логика конфликтует с протоколом.
Что такое джиттер?
Хотя теоретически глазковые диаграммы должны выглядеть как прямоугольные коробки, конечное время нарастания и спада сигналов и осциллографов приводит к тому, что глазковые диаграммы на самом деле больше похожи на изображение на рисунке 2a. Когда передаются высокоскоростные цифровые сигналы, искажения, вносимые на различных этапах, приводят к ошибкам синхронизации. Одной из таких временных ошибок является «джиттер» («jitter», фазовое дрожание), который возникает из-за несовпадения времени нарастания и спада (рисунок 2b).
(a) Конечное время нарастания и спада заставляет глазковые диаграммы выглядеть как это изображение, а не как прямоугольник.
(b) Джиттер (фазовое дрожание) возникает из-за смещения времени нарастания и спада.
(c) Хотя абсолютная ошибка синхронизации или поле фазового дрожания меньше, чем на изображении b, открытие глаза меньше из-за более высокой скорости передачи данных.
Джиттер возникает, когда нарастающие и спадающие фронты происходят в моменты, отличные от идеального времени. Некоторые фронты появляются рано, некоторые – поздно. В цифровой схеме все сигналы передаются относительно тактовых сигналов. Отклонение цифровых сигналов в результате отражений, межсимвольных помех, перекрестных помех, влияний изменений напряжения и температуры и других факторов приводит к джиттеру. Некоторый джиттер будет просто случайным.
На рисунке 2c абсолютная ошибка по времени или поле фазового дрожания меньше, чем на рисунке 2b, но открытие глаза на рисунке 2c меньше из-за более высокой скорости передачи данных. С увеличением скорости передачи данных абсолютная ошибка по времени представляет собой увеличивающуюся часть периода сигнала, таким образом, уменьшая размер открытия глаза. Это может увеличить вероятность ошибок в данных.
На сгенерированных глазковых диаграммах хорошо виден эффект разрыва. При неправильной нагрузке конца линии глаз выглядит ограниченным или «напряженным» (сдавленным) (рисунок 3a), а с улучшенными схемами нагрузки концов линии глаз становится «расслабленным» (рисунок 3b). Неправильно нагруженная линия страдает от множества отражений. Отраженные волны имеют значительную амплитуду, что может сильно сузить глаз. Как правило, это наихудший режим работы приемника, и если приемник может работать без ошибок при наличии таких помех, то он соответствует требованиям спецификации.
(a) Неправильная нагрузка заставляет глазковую диаграмму выглядеть «напряженной» (сдавленной).
(b) Правильная нагрузка «расслабляет» глаз.
Как видно на рисунке 4, глазковая диаграмма может показать важную информацию. Она может указывать лучшую точку для выборки, показывать SNR (отношение сигнал/шум) в точке выборки и указывать величины джиттера (фазового дрожания) и искажений. Кроме того, она может показать изменения по времени при пересечении нуля, что является измерением джиттера.
Глазковые диаграммы предоставляют мгновенные визуальные данные, которые инженеры могут использовать для проверки целостности сигнала в проекте и для выявления проблем на ранних стадиях процесса проектирования. Используемая в сочетании с другими измерениями, такими как частота битовых ошибок, глазковая диаграмма может помочь разработчику предсказать производительность и определить возможные источники проблем.