數字定時(shí)： 時(shí)鐘信號、抖動(dòng)、遲滯和眼圖

　　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。