Grundlæggende om øjendiagrammer: Læsning og anvendelse af øjendiagrammer

Stigende datahastigheder, større kompleksitet i designet, krav til standarder og kortere cyklustider stiller større krav til designingeniører om at debugge komplekse signalintegritetsproblemer så tidligt som muligt. Fordi nutidens serielle dataforbindelser opererer ved transmissionsfrekvenser på gigahertz, kan et væld af variabler påvirke signalernes integritet, herunder transmissionsledningseffekter, impedansfejl, signalrouting, termineringsordninger og jordingsordninger. Ved at bruge et oscilloskop til at oprette et øjendiagram kan ingeniører hurtigt evaluere systemets ydeevne og få indsigt i arten af kanalimperfektioner, der kan føre til fejl, når en modtager forsøger at fortolke værdien af en bit.

Et serielt digitalt signal kan lide under forringelser, når det bevæger sig fra en sender til en modtager. Senderen, PCB-spor, stik og kabler vil indføre interferens, som vil forringe et signal både i amplitude og timing. Et signal kan også blive forringet af interne kilder. Når f.eks. signaler på tilstødende par af PCB-ledninger eller IC-stifter skifter, kan overspænding mellem disse signaler forstyrre andre signaler. Derfor skal du bestemme, hvor du skal placere oscilloskopproben for at generere et øjendiagram, der kan hjælpe dig med at lokalisere kilden til problemet. Desuden vil det sted, hvor du placerer en oscilloskopets probe, give forskellige signaler på displayet.
Generering af et øjendiagram

Et øjendiagram er en almindelig indikator for kvaliteten af signaler i digitale højhastighedstransmissioner. Et oscilloskop genererer et øjendiagram ved at overlejre sweeps af forskellige segmenter af en lang datastrøm, der drives af et hovedur. Den udløsende flanke kan være positiv eller negativ, men den viste puls, der vises efter en forsinkelsesperiode, kan gå begge veje; der er ingen mulighed for på forhånd at kende værdien af en vilkårlig bit. Når mange sådanne overgange er blevet overlejret, overlejres positive og negative pulser derfor hinanden. Overlejring af mange bits giver et øjendiagram, der kaldes sådan, fordi det resulterende billede ligner åbningen af et øje.

I en ideel verden ville øjendiagrammer ligne rektangulære kasser. I virkeligheden er kommunikationen ufuldkommen, så overgangene ligger ikke perfekt på linje oven på hinanden, og der opstår et øjenformet mønster. På et oscilloskop vil øjendiagrammets form afhænge af forskellige typer af udløsningssignaler, f.eks. clocktriggere, opdelte clocktriggere og mønstertriggere. Forskelle i timing og amplitude fra bit til bit får øjenåbningen til at skrumpe.
Tolkning af et øjendiagram

Et korrekt konstrueret øje bør indeholde alle mulige bitsekvenser fra simple vekslende 1’er og 0’er til isolerede 1’er efter lange forløb med 0’er og alle andre mønstre, der kan vise svagheder i designet. Øjendiagrammer omfatter normalt spændings- og tidsprøver af de data, der er opsamlet med en prøvehastighed, der er lavere end datahastigheden. I figur 1 er bitsekvenserne 011, 001, 100 og 110 lagt over hinanden for at opnå det endelige øjendiagram.

Figur 1 Disse diagrammer illustrerer, hvordan et øjendiagram dannes.

Et perfekt øjendiagram indeholder en enorm mængde parametriske oplysninger om et signal, ligesom de virkninger, der stammer fra fysikken, uanset hvor sjældent disse virkninger forekommer. Hvis et logisk 1-signal er så forvrænget, at modtageren i den fjerne ende kan fejlvurdere det for logisk 0, vil man let kunne skelne dette ud fra et øjendiagram. Hvad man derimod ikke vil kunne opdage, er logik- eller protokolproblemer, f.eks. når et system skal sende en logisk 0, men sender en logisk 1, eller når logikken er i konflikt med en protokol.
Hvad er jitter?

Og selv om øjendiagrammer i teorien burde ligne rektangulære kasser, medfører de endelige stignings- og faldtider for signaler og oscilloskoper, at øjendiagrammer faktisk ser mere ud som billedet i figur 2a . Når digitale højhastighedssignaler transmitteres, fører de forringelser, der indføres i de forskellige faser, til tidsfejl. En af disse tidsfejl er “jitter”, som skyldes fejljustering af stignings- og faldtider (figur 2b ).

Figur 2 (a) Endelige stignings- og faldtider får øjendiagrammer til at se ud som dette billede i stedet for som et rektangel. (b) Jitter skyldes fejljustering af stignings- og faldtider. (c) Selv om den absolutte timingfejl eller jittermargen er mindre end i billede b, er denne øjenåbning mindre på grund af en højere bithastighed.

Jitter opstår, når en ride- eller faldflanke forekommer på tidspunkter, der afviger fra den ideelle tid. Nogle kanter forekommer tidligt, andre forekommer sent. I et digitalt kredsløb overføres alle signaler i forhold til klokkesignaler. Afvigelsen af de digitale signaler som følge af refleksioner, intersymbolinterferens, crosstalk, PVT-variationer (proces-spændings-temperatur) og andre faktorer udgør jitter. Noget jitter er ganske enkelt tilfældigt.

I figur 2c er den absolutte tidsfejl eller jittermargen mindre end i figur 2b , men øjenåbningen i figur 2c er mindre på grund af den højere bithastighed. Med stigningen i bithastigheden repræsenterer den absolutte tidsfejl en stigende del af cyklussen, hvilket reducerer størrelsen af øjenåbningen. Dette kan øge potentialet for datafejl.

Den effekt, som terminering har, er tydeligt synlig i de genererede øjendiagrammer. Med ukorrekt terminering ser øjet anstrengt eller stresset ud (figur 3a ), og med forbedrede termineringsordninger bliver øjet mere afslappet (figur 3b ). En dårligt termineret signallinje lider under flere refleksioner. De reflekterede bølger har en betydelig amplitude, hvilket kan medføre en alvorlig indsnævring af øjet. Typisk er dette den værst tænkelige driftsbetingelse for modtageren, og hvis modtageren kan fungere fejlfrit i tilstedeværelsen af en sådan interferens, opfylder den specifikationerne.

Figur 3 (a) Forkert terminering får et øjendiagram til at se anstrengt ud. (b) Korrekt terminering afspænder øjet.

Som det fremgår af figur 4, kan et øjendiagram afsløre vigtige oplysninger. Det kan angive det bedste punkt for prøvetagning, afsløre SNR (signal/støjforholdet) ved prøvetagningspunktet og angive mængden af jitter og forvrængning. Desuden kan det vise tidsvariationen ved nulkrydsning, som er et mål for jitter.

Figur 4 Et øjendiagram kan hjælpe dig med at fortolke et signal og bestemme det bedste tidspunkt for at foretage en måling.

Ojendiagrammer giver øjeblikkelige visuelle data, som ingeniører kan bruge til at kontrollere signalintegriteten i et design og afsløre problemer tidligt i designprocessen. Sammen med andre målinger, f.eks. bit-fejlfrekvens, kan et øjendiagram hjælpe en designer med at forudsige ydeevne og identificere mulige problemkilder.

Se også :

• Øjediagrammets udvikling
• Sådan tager man det onde ud af øjendiagrammer
• Hvorfor korrelerer et øjendiagram ikke med en badekarskurve?
• Måling af jitter på tre måder
• CAN øjendiagrammasketestning til bilapplikationer
• Sådan verificeres og debugges næste generations hukommelse
• Sådan valideres og analyseres komplekse seriel-bus-link-modeller