Principes de base des diagrammes en œil : Lire et appliquer les diagrammes en œil

L’accélération des débits de données, la plus grande complexité des conceptions, les exigences des normes et la réduction des temps de cycle imposent aux ingénieurs de conception de déboguer les problèmes complexes d’intégrité des signaux le plus tôt possible. Comme les liaisons de données série actuelles fonctionnent à des fréquences de transmission de l’ordre du gigahertz, une foule de variables peuvent affecter l’intégrité des signaux, notamment les effets des lignes de transmission, les déséquilibres d’impédance, le routage des signaux, les schémas de terminaison et les schémas de mise à la terre. En utilisant un oscilloscope pour créer un diagramme en œil, les ingénieurs peuvent rapidement évaluer les performances du système et avoir un aperçu de la nature des imperfections du canal qui peuvent entraîner des erreurs lorsqu’un récepteur tente d’interpréter la valeur d’un bit.

Un signal numérique série peut subir des altérations lors de son déplacement d’un émetteur à un récepteur. L’émetteur, les traces du circuit imprimé, les connecteurs et les câbles introduisent des interférences qui dégradent un signal à la fois dans son amplitude et dans sa synchronisation. Un signal peut également subir des dégradations provenant de sources internes. Par exemple, lorsque des signaux sur des paires adjacentes de pistes de PCB ou de broches de CI basculent, la diaphonie entre ces signaux peut interférer avec d’autres signaux. Vous devez donc déterminer à quel endroit placer la sonde de l’oscilloscope afin de générer un diagramme de l’œil qui vous aidera à localiser la source du problème. En outre, l’endroit où vous placez la sonde d’un oscilloscope produira des signaux différents sur l’écran.
Générer un diagramme en œil

Un diagramme en œil est un indicateur commun de la qualité des signaux dans les transmissions numériques à grande vitesse. Un oscilloscope génère un diagramme en œil en superposant des balayages de différents segments d’un long flux de données piloté par une horloge maître. Le front de déclenchement peut être positif ou négatif, mais l’impulsion affichée qui apparaît après une période de retard peut aller dans les deux sens ; il n’y a aucun moyen de connaître à l’avance la valeur d’un bit arbitraire. Par conséquent, lorsque de nombreuses transitions de ce type ont été superposées, les impulsions positives et négatives se superposent les unes aux autres. La superposition de nombreux bits produit un diagramme oculaire, appelé ainsi parce que l’image résultante ressemble à l’ouverture d’un œil.

Dans un monde idéal, les diagrammes oculaires ressembleraient à des boîtes rectangulaires. Dans la réalité, les communications sont imparfaites, les transitions ne s’alignent donc pas parfaitement les unes sur les autres, et il en résulte un schéma en forme d’œil. Sur un oscilloscope, la forme d’un diagramme en œil dépend de différents types de signaux de déclenchement, tels que les déclencheurs d’horloge, les déclencheurs d’horloge divisée et les déclencheurs de motif. Les différences de synchronisation et d’amplitude d’un bit à l’autre entraînent un rétrécissement de l’ouverture de l’œil.
Interprétation d’un diagramme en œil

Un œil correctement construit doit contenir toutes les séquences de bits possibles, des simples 1 et 0 alternés aux 1 isolés après de longues séries de 0, et tous les autres motifs susceptibles de révéler les faiblesses de la conception. Les diagrammes en œil comprennent généralement des échantillons de tension et de temps des données acquises à une fréquence d’échantillonnage inférieure à celle des données. Dans la figure 1 , les séquences de bits 011, 001, 100 et 110 sont superposées les unes aux autres pour obtenir le diagramme en œil final.

Figure 1 Ces diagrammes illustrent comment un diagramme en œil est formé.

Un diagramme en œil parfait contient une immense quantité d’informations paramétriques sur un signal, comme les effets découlant de la physique, quelle que soit la rareté de ces effets. Si un 1 logique est tellement déformé que le récepteur à l’extrémité éloignée peut le confondre avec un 0 logique, vous le discernerez facilement à partir d’un diagramme oculaire. Ce que vous ne pourrez pas détecter, cependant, ce sont les problèmes de logique ou de protocole, comme lorsqu’un système est censé transmettre un 0 logique mais envoie un 1 logique, ou lorsque la logique est en conflit avec un protocole.
Qu’est-ce que la gigue ?

Bien qu’en théorie les diagrammes de l’œil devraient ressembler à des boîtes rectangulaires, les temps de montée et de descente finis des signaux et des oscilloscopes font que les diagrammes de l’œil ressemblent en fait davantage à l’image de la figure 2a . Lorsque des signaux numériques à grande vitesse sont transmis, les altérations introduites à différents stades entraînent des erreurs de synchronisation. L’une de ces erreurs de synchronisation est la « gigue », qui résulte du mauvais alignement des temps de montée et de descente (figure 2b ).

Figure 2 (a) Les temps de montée et de descente finis font que les diagrammes oculaires ressemblent à cette image plutôt qu’à un rectangle. (b) La gigue résulte du désalignement des temps de montée et de descente. (c) Bien que l’erreur de synchronisation absolue ou la marge de gigue soit inférieure à celle de l’image b, cette ouverture de l’œil est plus petite en raison d’un débit binaire plus élevé.

La gigue se produit lorsqu’un front montant ou descendant se produit à des moments qui diffèrent du temps idéal. Certains fronts se produisent tôt, d’autres tard. Dans un circuit numérique, tous les signaux sont transmis en référence à des signaux d’horloge. La déviation des signaux numériques résultant de réflexions, d’interférences intersymboles, de diaphonie, de variations PVT (process-voltage-température) et d’autres facteurs constitue la gigue. Une partie de la gigue est simplement aléatoire.

Dans la figure 2c, l’erreur de synchronisation absolue ou la marge de gigue est inférieure à celle de la figure 2b , mais l’ouverture de l’œil dans la figure 2c est plus petite en raison du débit binaire plus élevé. Avec l’augmentation du débit binaire, l’erreur temporelle absolue représente une portion croissante du cycle, ce qui réduit la taille de l’ouverture de l’œil. Cela peut augmenter le potentiel d’erreurs de données.

L’effet de la terminaison est clairement visible dans les diagrammes en œil générés. Avec une terminaison incorrecte, l’œil semble contraint ou stressé (figure 3a ), et avec des schémas de terminaison améliorés, l’œil devient plus détendu (figure 3b ). Une ligne de signal mal terminée souffre de réflexions multiples. Les ondes réfléchies sont d’une amplitude importante, ce qui peut fortement contraindre l’œil. Typiquement, il s’agit de la pire condition de fonctionnement du récepteur, et si le récepteur peut fonctionner sans erreur en présence d’une telle interférence, alors il répond aux spécifications.

Figure 3 (a) Une terminaison incorrecte donne à un diagramme en œil un aspect stressé. (b) Une terminaison correcte détend l’œil.

Comme on peut le voir sur la figure 4, un diagramme en œil peut révéler des informations importantes. Il peut indiquer le meilleur point pour l’échantillonnage, divulguer le SNR (rapport signal/bruit) au point d’échantillonnage, et indiquer la quantité de gigue et de distorsion. En outre, il peut montrer la variation temporelle au passage par zéro, qui est une mesure de la gigue.

Figure 4 Un diagramme en œil peut vous aider à interpréter un signal et à déterminer le meilleur moment pour effectuer une mesure.

Les diagrammes en œil fournissent des données visuelles instantanées que les ingénieurs peuvent utiliser pour vérifier l’intégrité du signal d’une conception et découvrir les problèmes au début du processus de conception. Utilisé conjointement avec d’autres mesures telles que le taux d’erreur de bit, un diagramme de l’œil peut aider un concepteur à prédire les performances et à identifier les sources possibles de problèmes.

Voir aussi :

• Évolution du diagramme en œil
• Comment retirer le mal des diagrammes en œil
• Pourquoi un diagramme en œil n’est-il pas corrélé à une courbe en baignoire ?
• Mesurer la gigue de trois façons
• Tester les masques de diagramme en œil CAN pour les applications automobiles
• Comment vérifier et déboguer les mémoires de nouvelle génération
• Comment valider et analyser les modèles complexes de liaison série-bus

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