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

　　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。