Grundlagen der Augendiagramme: Lesen und Anwenden von Augendiagrammen
Beschleunigte Datenübertragungsraten, höhere Designkomplexität, Normungsanforderungen und kürzere Zykluszeiten stellen die Entwicklungsingenieure vor die Herausforderung, komplexe Signalintegritätsprobleme so früh wie möglich zu beheben. Da die heutigen seriellen Datenverbindungen mit Übertragungsfrequenzen im Gigahertz-Bereich arbeiten, kann eine Vielzahl von Variablen die Integrität von Signalen beeinträchtigen, darunter Übertragungsleitungseffekte, Impedanzfehlanpassungen, Signalrouting, Abschluss- und Erdungsschemata. Durch die Verwendung eines Oszilloskops zur Erstellung eines Augendiagramms können Ingenieure die Systemleistung schnell bewerten und einen Einblick in die Art der Kanalmängel gewinnen, die zu Fehlern führen können, wenn ein Empfänger versucht, den Wert eines Bits zu interpretieren.
Ein serielles Digitalsignal kann auf dem Weg von einem Sender zu einem Empfänger beeinträchtigt werden. Der Sender, die Leiterbahnen auf der Platine, die Steckverbinder und die Kabel führen zu Störungen, die das Signal sowohl in seiner Amplitude als auch in seinem Timing beeinträchtigen. Ein Signal kann auch durch interne Quellen beeinträchtigt werden. Wenn zum Beispiel Signale auf benachbarten Leiterbahnpaaren oder IC-Pins umschalten, kann das Übersprechen zwischen diesen Signalen andere Signale stören. Daher müssen Sie bestimmen, an welchem Punkt Sie die Oszilloskopsonde platzieren, um ein Augendiagramm zu erstellen, das Ihnen hilft, die Quelle des Problems zu lokalisieren. Je nachdem, wo Sie die Sonde eines Oszilloskops platzieren, werden unterschiedliche Signale auf dem Display angezeigt.
Erzeugen eines Augendiagramms
Ein Augendiagramm ist ein gängiger Indikator für die Qualität von Signalen bei digitalen Hochgeschwindigkeitsübertragungen. Ein Oszilloskop erzeugt ein Augendiagramm durch Überlagerung von Sweeps verschiedener Segmente eines langen Datenstroms, der von einem Master-Taktgeber gesteuert wird. Die auslösende Flanke kann positiv oder negativ sein, aber der angezeigte Impuls, der nach einer Verzögerungszeit erscheint, kann in beide Richtungen gehen; es gibt keine Möglichkeit, den Wert eines beliebigen Bits im Voraus zu kennen. Wenn viele solcher Übergänge überlagert werden, überlagern sich daher positive und negative Pulse. Die Überlagerung vieler Bits ergibt ein Augendiagramm, das so genannt wird, weil das resultierende Bild wie die Öffnung eines Auges aussieht.
In einer idealen Welt würden Augendiagramme wie rechteckige Kästen aussehen. In der Realität ist die Kommunikation unvollkommen, so dass die Übergänge nicht perfekt übereinander liegen und ein augenförmiges Muster entsteht. Auf einem Oszilloskop hängt die Form eines Augendiagramms von verschiedenen Arten von Triggersignalen ab, z. B. von Takttriggern, geteilten Takttriggern und Mustertriggern. Unterschiede im Timing und in der Amplitude von Bit zu Bit führen dazu, dass sich die Augenöffnung verkleinert.
Interpretieren eines Augendiagramms
Ein richtig konstruiertes Auge sollte alle möglichen Bitfolgen enthalten, von einfachen abwechselnden 1en und 0en bis hin zu isolierten 1en nach langen Läufen von 0en und allen anderen Mustern, die Schwachstellen im Entwurf aufzeigen können. Augendiagramme enthalten in der Regel Spannungs- und Zeitabtastungen der Daten, die mit einer Abtastrate unterhalb der Datenrate erfasst wurden. In Abbildung 1 werden die Bitfolgen 011, 001, 100 und 110 übereinander gelegt, um das endgültige Augendiagramm zu erhalten.
Abbildung 1 Diese Diagramme zeigen, wie ein Augendiagramm entsteht.
Ein perfektes Augendiagramm enthält eine immense Menge an parametrischer Information über ein Signal, wie die Effekte aus der Physik, unabhängig davon, wie selten diese Effekte auftreten. Wenn eine logische 1 so verzerrt ist, dass der Empfänger am anderen Ende sie für eine logische 0 halten kann, lässt sich das leicht aus einem Augendiagramm erkennen. Was Sie jedoch nicht erkennen können, sind Logik- oder Protokollprobleme, z. B. wenn ein System eine logische 0 übertragen soll, aber eine logische 1 sendet, oder wenn die Logik in Konflikt mit einem Protokoll steht.
Was ist Jitter?
Obwohl Augendiagramme theoretisch wie rechteckige Kästen aussehen sollten, führen die endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten von Signalen und Oszilloskopen dazu, dass Augendiagramme in Wirklichkeit eher wie das Bild in Abbildung 2a aussehen. Bei der Übertragung von digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen führen die Beeinträchtigungen, die in verschiedenen Phasen auftreten, zu Zeitfehlern. Ein solcher Zeitfehler ist der so genannte „Jitter“, der aus der falschen Ausrichtung von Anstiegs- und Abfallzeiten resultiert (Abbildung 2b).
Abbildung 2 (a) Endliche Anstiegs- und Abfallzeiten führen dazu, dass Augendiagramme wie dieses Bild und nicht wie ein Rechteck aussehen. (b) Jitter resultiert aus der falschen Ausrichtung von Anstiegs- und Abfallzeiten. (c) Obwohl der absolute Timing-Fehler oder die Jitter-Spanne geringer ist als in Bild b, ist diese Augenöffnung aufgrund einer höheren Bitrate kleiner.
Jitter tritt auf, wenn ansteigende oder abfallende Flanken zu Zeiten auftreten, die von der idealen Zeit abweichen. Manche Flanken treten früh, manche spät auf. In einer digitalen Schaltung werden alle Signale in Bezug auf die Taktsignale übertragen. Die Abweichung der digitalen Signale infolge von Reflexionen, Intersymbol-Interferenzen, Übersprechen, PVT (Prozess-Spannungs-Temperatur)-Schwankungen und anderen Faktoren führt zu Jitter. Ein Teil des Jitters ist einfach zufällig.
In Abbildung 2c ist der absolute Zeitfehler oder die Jitter-Marge geringer als in Abbildung 2b, aber die Augenöffnung in Abbildung 2c ist aufgrund der höheren Bitrate kleiner. Mit zunehmender Bitrate nimmt der absolute Zeitfehler einen immer größeren Teil des Zyklus ein, wodurch sich die Größe der Augenöffnung verringert. Dies kann das Potenzial für Datenfehler erhöhen.
Die Auswirkung der Terminierung ist in den erzeugten Augendiagrammen deutlich sichtbar. Bei unsachgemäßer Terminierung wirkt das Auge eingeengt oder gestresst (Abbildung 3a ), und mit verbesserten Terminierungsschemata wird das Auge entspannter (Abbildung 3b ). Eine schlecht abgeschlossene Signalleitung leidet unter Mehrfachreflexionen. Die reflektierten Wellen haben eine erhebliche Amplitude, die das Auge stark einschränken kann. In der Regel ist dies die ungünstigste Betriebsbedingung für den Empfänger, und wenn der Empfänger bei derartigen Störungen fehlerfrei arbeiten kann, erfüllt er die Spezifikationen.
Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, kann ein Augendiagramm wichtige Informationen liefern. Es kann den besten Punkt für die Abtastung angeben, das SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) am Abtastpunkt verraten und den Grad des Jitters und der Verzerrung anzeigen. Außerdem kann es die Zeitvariation beim Nulldurchgang zeigen, die ein Maß für Jitter ist.
Abbildung 4 Ein Augendiagramm kann Ihnen helfen, ein Signal zu interpretieren und den besten Zeitpunkt für eine Messung zu bestimmen.
Augendiagramme liefern sofortige visuelle Daten, die Ingenieure verwenden können, um die Signalintegrität eines Entwurfs zu überprüfen und Probleme frühzeitig im Entwurfsprozess aufzudecken. In Verbindung mit anderen Messungen, wie z. B. der Bitfehlerrate, kann ein Augendiagramm einem Entwickler helfen, die Leistung vorherzusagen und mögliche Problemquellen zu identifizieren.
Siehe auch:
- Entwicklung des Augendiagramms
- Wie man das Böse aus dem Augendiagramm herausholt
- Warum korreliert ein Augendiagramm nicht mit einer Badewannenkurve?
- Messen Sie Jitter auf drei Arten
- CAN-Augendiagramm-Maskentests für Automobilanwendungen
- Wie man Speicher der nächsten Generation verifiziert und debuggt
- Wie man komplexe serielle Bus-Link-Modelle validiert und analysiert
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