數字定時(shí)： 時(shí)鐘信號、抖動(dòng)、遲滯和眼圖

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

　　1. 時(shí)鐘信號

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

　　時(shí)鐘信號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(lèi)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。

　　圖1. 數字波形作為時(shí)鐘信號的參考，時(shí)鐘信號具有固定周期，在數據傳輸過(guò)程中用固定的時(shí)間間隔來(lái)同步數字信號發(fā)射器和接收器。

　　時(shí)鐘信號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別 您可以發(fā)現占空比為30%的波形處于的時(shí)間少于占空比為50%的波形。

　　圖2.信號的占空比是指波形處于的時(shí)間百分比。

　　時(shí)鐘信號用于在數據傳輸過(guò)程中同步數字信號發(fā)射器和接收器。 比如，發(fā)射器可以在時(shí)鐘信號的每個(gè)上升沿發(fā)送一個(gè)數據位，接收器可使用相同的時(shí)鐘讀取數據。 在這種情況下，設備的確定邊沿是上升沿(從低電平到高電平)。 對于其他設備則可能是下降沿(從高電平到低電平)。 時(shí)鐘的確定邊沿又稱(chēng)為有效時(shí)鐘邊沿。 數字信號發(fā)射器在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿觸發(fā)新的數據發(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(lái)的設備開(kāi)始同時(shí)使用時(shí)鐘的上升驗和下降沿;這種設備被稱(chēng)為雙倍數據速率傳輸(DDR)設備。 事實(shí)上，數據傳輸對于有效邊沿有短暫的短延;這種延時(shí)稱(chēng)為時(shí)鐘到輸出時(shí)間。

　　當接收器依據采集時(shí)鐘接收數據時(shí)，我們需要注意兩個(gè)定時(shí)參數，以確保接收數據的可靠性。 建立時(shí)間(ts)是指數據連續處于有效邏輯電平且接收器準備好接收輸入信號所需的時(shí)間。 保持時(shí)間(tH)是指接收器采樣后，數據發(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)穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。 圖3給出了一個(gè)上升沿時(shí)鐘信號的建立時(shí)間和保持時(shí)間。 通常，數字信號會(huì )在上升軌跡的中間切換電壓;因此時(shí)間基準標志通常放置在信號邊沿的正中央。

　　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)穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。

　　2. 常用術(shù)語(yǔ)

　　在數字電路系統中，定時(shí)是最重要的因素之一。 數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字信號定時(shí)功能的常用術(shù)語(yǔ)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，假設您正在發(fā)送一個(gè)數字正弦波并在坐標紙上繪制其圖形。 每個(gè)正方形相當于一個(gè)時(shí)鐘脈沖;由于垂直線(xiàn)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。 在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上，您獲取3個(gè)數據點(diǎn)并將各點(diǎn)繪制在坐標紙上。 由于它具有周期性，因此您得到一個(gè)精準的正弦波。

　　圖4. 周期性采樣時(shí)鐘可讓數字系統進(jìn)行正確、精準的通信。

　　現在，我們假設垂直線(xiàn)之間不是等距的。 這樣會(huì )使時(shí)鐘信號的周期性不那么明顯。 當您繪制數據時(shí)，它們之間的間隔并不相同，因此看起來(lái)不正確。

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

　　在圖5中，您可以看到時(shí)鐘信號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(shuō)明了抖動(dòng)的時(shí)鐘會(huì )導致采樣在不均勻的時(shí)間間隔上觸發(fā)。 這種不均勻導致要記錄和復制的波形發(fā)生變形。

　　現在看看只有1和只有0的數字信號的抖動(dòng)。 請記住，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。 請注意單脈沖，抖動(dòng)是指實(shí)際信號邊沿定時(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)通常從基準信號的過(guò)零點(diǎn)處測量。 它通常來(lái)自于串擾、同步轉換輸出和其他定期發(fā)生的干擾信號。 抖動(dòng)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而發(fā)生改變，因此抖動(dòng)的測量和量化可以是在秒級抖動(dòng)范圍內通過(guò)示波器進(jìn)行目視估算，也可以是按統計學(xué)方法進(jìn)行測量，比如標準差隨時(shí)間的變化。

　　漂移

　　另一個(gè)常見(jiàn)的定時(shí)問(wèn)題是漂移。 當發(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(zhù)時(shí)間的推移，這兩種時(shí)鐘信號之間的差別可能會(huì )變得顯著(zhù)，并導致同步失敗或其他問(wèn)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，數字信號電平從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)間指示了信號在低電平和高電平之間轉換所需的時(shí)間。

　　此外，在真實(shí)情況下，信號幾乎不會(huì )達到電壓電平并穩定地保持在該電平上。 當信號在邊沿之后超過(guò)電壓電平時(shí)，峰值失真被稱(chēng)為過(guò)沖。 如果信號在邊沿之前超過(guò)了電壓電平時(shí)，峰值失真被稱(chēng)為前沖。 在邊沿之間，如果信號漂移低于電壓電平時(shí)，則稱(chēng)為下沖。

　　圖8.過(guò)沖、前沖和下沖統稱(chēng)為偏差。

　　過(guò)沖、前沖和下沖統稱(chēng)為偏差。 偏差的發(fā)生可能是由于電路板布局問(wèn)題、不適時(shí)的終止或者半導體設備本身的質(zhì)量問(wèn)題。

　　穩定時(shí)間

　　當數字信號到達電壓電平后，電壓會(huì )小幅反彈并穩定到一個(gè)常數值。 穩定時(shí)間(ts)是指放大器、繼電器或者其他電路達到穩定操作模式所需要的時(shí)間。 在進(jìn)行數字信號采集的情況下，整個(gè)過(guò)程的穩定時(shí)間是指信號達到特定精確度并保持在該范圍所需要的總時(shí)間。

　　圖9.穩定時(shí)間是指信號達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換之間探測到的電壓電平差。

　　遲滯是一個(gè)有用的數字儀器屬性，因為它可以幫助數字系統過(guò)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 )導致數字設備產(chǎn)生錯誤的電平轉換探測。 圖11展示了這一現象。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，因為信號還沒(méi)有達到高電平閾值。 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(guò)濾掉數字系統中部分高頻噪聲。

　　對于具有恒定電壓閾值的設備，系統的抗噪容量(NIM)和遲滯由用戶(hù)選擇的系統組件決定。 系統NIM和遲滯都會(huì )讓系統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。 在確定如何設置電壓閾值時(shí)，您需要仔細檢查系統的信號質(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(shí)的抗噪性還是需要提轉換(更多的遲滯)時(shí)的抗噪性。

　　偏斜

　　偏斜是時(shí)鐘信號在不同時(shí)間到達不同部分。 與漂移不同的是，時(shí)鐘信號具有相同的周期;只不過(guò)它們到達的時(shí)間不相同。 達到時(shí)間的不同可能由很多因素引起，這些因素包括導線(xiàn)長(cháng)度、溫度變化以及輸入電容的不同。 通道間偏斜通常指設備上所有數據通道的偏斜。 每次采集樣本時(shí)，每個(gè)數據通道采樣的時(shí)間點(diǎn)和其他數據通道的采樣時(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，這個(gè)窗口時(shí)間范圍稱(chēng)為通道間偏斜。

　　圖12. 通道間偏斜通常指設備上所有數據通道的偏斜。

　　眼圖

　　眼圖是一種定時(shí)分析工具，可以幫助您直觀(guān)地查看定時(shí)錯誤和電平錯誤。 在現實(shí)生活中類(lèi)似于抖動(dòng)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)現最大抖動(dòng)，同樣也可以發(fā)現測量偏差、上升時(shí)間、下降時(shí)間以及其他誤差等。 隨著(zhù)誤差的增大，眼圖中心的白色區域逐漸減小。

　　眼圖通過(guò)對數字信號的不同部分進(jìn)行覆蓋掃描得到。 它應包含每種可能的位序列，包括簡(jiǎn)單的高到低轉變以及經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間一致性運行后的隔離轉變。 當重疊發(fā)生時(shí)，眼圖看起來(lái)像個(gè)眼睛。 眼圖是理解設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信息，但是它不能探測邏輯問(wèn)題或協(xié)議錯誤，比如當設備需要發(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(yǔ)。

　　高電平，又稱(chēng)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據樣本的平均值。 低電平，又稱(chēng)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(chēng)為單位間隔(UI)，它通過(guò)測量眼圖中眼睛圖交叉點(diǎn)的水平間距得到。 它是數據速率的倒數。 在生成眼圖時(shí)，用單位間隔取代時(shí)間作為橫軸坐標，就可以很容易地比較不同數據速率的眼圖。 眼高是指眼圖的豎直開(kāi)口。 理論上來(lái)講，其值應該等于振幅，但是由于有噪聲的存在，現實(shí)中這種理想情況幾乎不會(huì )發(fā)生。 同樣地，在系統中噪聲越大眼高就越小。 眼高反應了信號的信噪比。 眼寬是指眼圖的水平開(kāi)口。它通過(guò)計算眼圖交叉點(diǎn)統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(chēng)問(wèn)題。 理想信號的眼圖交叉百分比是50%;當百分比發(fā)生偏離，眼圖會(huì )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(shí)際眼圖的其他測量值。

　　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。 信號的抖動(dòng) 當信噪比達到最佳值時(shí)眼圖的開(kāi)口達到最大，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

　　使用數字波形作為時(shí)鐘信號，時(shí)鐘信號具有固定周期，在數據傳輸過(guò)程中同步數字信號發(fā)射器和接收器。 時(shí)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(shí)間比。 時(shí)鐘的確定邊沿又稱(chēng)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)穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。 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 )引起信號的失真。 當發(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 )導致同步失敗和其他錯誤。 上升時(shí)間和下降時(shí)間指示了信號在低電平和高電平之間轉換所需的時(shí)間。 過(guò)沖、前沖和下沖統稱(chēng)為偏差，是系統出現錯誤的指示。 穩定時(shí)間是指信號達到一定的精度并保持在這個(gè)精度范圍內所經(jīng)歷的時(shí)間。 遲滯可以過(guò)濾掉數字系統中的部分高頻噪聲。 偏斜會(huì )導致時(shí)鐘信號在不同時(shí)間到達不同分量。

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