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。