Fundamentos de los diagramas de ojo: Lectura y aplicación de diagramas de ojo

La aceleración de las velocidades de datos, la mayor complejidad del diseño, los requisitos de las normas y los tiempos de ciclo más cortos exigen a los ingenieros de diseño que depuren los problemas de integridad de las señales complejas lo antes posible. Dado que los enlaces de datos en serie actuales funcionan a frecuencias de transmisión de gigahercios, una serie de variables pueden afectar a la integridad de las señales, incluidos los efectos de la línea de transmisión, los desajustes de impedancia, el enrutamiento de la señal, los esquemas de terminación y los esquemas de conexión a tierra. Utilizando un osciloscopio para crear un diagrama de ojo, los ingenieros pueden evaluar rápidamente el rendimiento del sistema y conocer la naturaleza de las imperfecciones del canal que pueden provocar errores cuando un receptor intenta interpretar el valor de un bit.

Una señal digital en serie puede sufrir deficiencias cuando viaja desde un transmisor a un receptor. El transmisor, las trazas de la placa de circuito impreso, los conectores y los cables introducirán interferencias que degradarán una señal tanto en su amplitud como en su temporización. Una señal también puede sufrir deterioros procedentes de fuentes internas. Por ejemplo, cuando las señales en pares adyacentes de trazas de PCB o pines de CI alternan, la diafonía entre esas señales puede interferir con otras señales. Por lo tanto, es necesario determinar en qué punto colocar la sonda del osciloscopio para generar un diagrama de ojo que le ayude a localizar el origen del problema. Además, el lugar donde coloque la sonda de un osciloscopio producirá señales diferentes en la pantalla.
Generación de un diagrama de ojo

Un diagrama de ojo es un indicador común de la calidad de las señales en las transmisiones digitales de alta velocidad. Un osciloscopio genera un diagrama de ojo superponiendo barridos de diferentes segmentos de un flujo de datos largo impulsado por un reloj maestro. El flanco de disparo puede ser positivo o negativo, pero el pulso visualizado que aparece tras un periodo de retardo puede ir en cualquier dirección; no hay forma de saber de antemano el valor de un bit arbitrario. Por lo tanto, cuando se han superpuesto muchas transiciones de este tipo, los pulsos positivos y negativos se superponen. La superposición de muchos bits produce un diagrama de ojos, llamado así porque la imagen resultante se parece a la apertura de un ojo.

En un mundo ideal, los diagramas de ojos se verían como cajas rectangulares. En la realidad, las comunicaciones son imperfectas, por lo que las transiciones no se alinean perfectamente una encima de otra, y resulta un patrón en forma de ojo. En un osciloscopio, la forma de un diagrama de ojo dependerá de varios tipos de señales de disparo, como los disparos de reloj, los disparos de reloj dividido y los disparos de patrón. Las diferencias de tiempo y amplitud de un bit a otro hacen que la apertura del ojo se reduzca.
Interpretación de un diagrama de ojo

Un ojo correctamente construido debería contener todas las secuencias de bits posibles, desde simples 1’s y 0’s alternos hasta 1’s aislados después de largas series de 0’s, y todos los demás patrones que puedan mostrar debilidades en el diseño. Los diagramas de ojo suelen incluir muestras de tensión y tiempo de los datos adquiridos a una velocidad de muestreo inferior a la de los datos. En la figura 1 , las secuencias de bits 011, 001, 100 y 110 se superponen entre sí para obtener el diagrama de ojo final.

Figura 1 Estos diagramas ilustran cómo se forma un diagrama de ojo.

Un diagrama de ojo perfecto contiene una inmensa cantidad de información paramétrica sobre una señal, como los efectos derivados de la física, independientemente de la poca frecuencia con que se produzcan estos efectos. Si un 1 lógico está tan distorsionado que el receptor en el extremo más alejado puede confundirlo con un 0 lógico, podrá discernirlo fácilmente en un diagrama ocular. Lo que no podrá detectar, sin embargo, son los problemas lógicos o de protocolo, como cuando un sistema debe transmitir un 0 lógico pero envía un 1 lógico, o cuando la lógica entra en conflicto con un protocolo.
¿Qué es el jitter?

Aunque en teoría los diagramas de ojo deberían parecerse a cajas rectangulares, los tiempos finitos de subida y bajada de las señales y los osciloscopios hacen que los diagramas de ojo se parezcan más a la imagen de la figura 2a . Cuando se transmiten señales digitales de alta velocidad, las deficiencias introducidas en varias etapas conducen a errores de sincronización. Uno de estos errores de temporización es el «jitter», que resulta de la desalineación de los tiempos de subida y bajada (Figura 2b ).

Figura 2 (a) Los tiempos finitos de subida y bajada hacen que los diagramas de ojos se parezcan a esta imagen en lugar de a un rectángulo. (b) El jitter es el resultado de la desalineación de los tiempos de subida y bajada. (c) Aunque el error de temporización absoluto o margen de jitter es menor que el de la imagen b, esta apertura de ojos es más pequeña debido a una mayor tasa de bits.

El jitter se produce cuando los bordes de subida y bajada ocurren en tiempos que difieren del tiempo ideal. Algunos flancos se producen antes y otros después. En un circuito digital, todas las señales se transmiten en referencia a señales de reloj. La desviación de las señales digitales como resultado de las reflexiones, la interferencia entre símbolos, la diafonía, las variaciones de PVT (proceso-tensión-temperatura) y otros factores equivale al jitter. Parte del jitter es simplemente aleatorio.

En la Figura 2c, el error de temporización absoluto o margen de jitter es menor que el de la Figura 2b , pero la apertura de ojos en la Figura 2c es menor debido a la mayor tasa de bits. Con el aumento de la tasa de bits, el error de tiempo absoluto representa una porción creciente del ciclo, reduciendo así el tamaño de la apertura del ojo. Esto puede aumentar el potencial de errores de datos.

El efecto de la terminación es claramente visible en los diagramas de ojo generados. Con una terminación inadecuada, el ojo parece constreñido o estresado (Figura 3a ), y con esquemas de terminación mejorados, el ojo se vuelve más relajado (Figura 3b ). Una línea de señal mal terminada sufre múltiples reflexiones. Las ondas reflejadas tienen una amplitud significativa, lo que puede constreñir gravemente el ojo. Normalmente, ésta es la peor condición de funcionamiento para el receptor, y si el receptor puede funcionar sin errores en presencia de tales interferencias, entonces cumple con las especificaciones.

Figura 3 (a) La terminación incorrecta hace que un diagrama de ojo parezca estresado. (b) Una terminación adecuada relaja el ojo.

Como puede verse en la figura 4, un diagrama de ojo puede revelar información importante. Puede indicar el mejor punto de muestreo, divulgar la SNR (relación señal-ruido) en el punto de muestreo e indicar la cantidad de fluctuación y distorsión. Además, puede mostrar la variación de tiempo en el cruce por cero, que es una medida del jitter.

Figura 4 Un diagrama de ojo puede ayudarle a interpretar una señal y a determinar el mejor momento para realizar una medición.

Los diagramas de ojo proporcionan datos visuales instantáneos que los ingenieros pueden utilizar para comprobar la integridad de la señal de un diseño y descubrir problemas en las primeras fases del proceso de diseño. Utilizado junto con otras mediciones, como la tasa de error de bits, un diagrama de ojos puede ayudar a un diseñador a predecir el rendimiento e identificar posibles fuentes de problemas.

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