Nozioni di base sui diagrammi a occhio: Lettura e applicazione dei diagrammi a occhio

L’accelerazione della velocità dei dati, la maggiore complessità del progetto, i requisiti degli standard e i tempi di ciclo più brevi impongono ai progettisti di eseguire il debug di problemi complessi di integrità del segnale il prima possibile. Poiché i collegamenti dati seriali di oggi operano a frequenze di trasmissione gigahertz, una serie di variabili può influenzare l’integrità dei segnali, compresi gli effetti della linea di trasmissione, i disadattamenti di impedenza, l’instradamento del segnale, gli schemi di terminazione e gli schemi di messa a terra. Utilizzando un oscilloscopio per creare un diagramma a occhio, gli ingegneri possono valutare rapidamente le prestazioni del sistema e farsi un’idea della natura delle imperfezioni del canale che possono portare a errori quando un ricevitore cerca di interpretare il valore di un bit.

Un segnale digitale seriale può subire alterazioni mentre viaggia da un trasmettitore a un ricevitore. Il trasmettitore, le tracce PCB, i connettori e i cavi introducono interferenze che degradano il segnale sia nella sua ampiezza che nei tempi. Un segnale può anche soffrire di deterioramenti da fonti interne. Per esempio, quando i segnali su coppie adiacenti di tracce PCB o pin IC si alternano, la diafonia tra quei segnali può interferire con altri segnali. Quindi, è necessario determinare in quale punto posizionare la sonda dell’oscilloscopio per generare un diagramma ad occhio che vi aiuterà a localizzare la fonte del problema. Inoltre, dove si posiziona la sonda di un oscilloscopio produrrà segnali diversi sul display.
Generazione di un diagramma a occhio

Un diagramma a occhio è un indicatore comune della qualità dei segnali nelle trasmissioni digitali ad alta velocità. Un oscilloscopio genera un diagramma ad occhio sovrapponendo gli sweep di diversi segmenti di un lungo flusso di dati guidato da un master clock. Il bordo di attivazione può essere positivo o negativo, ma l’impulso visualizzato che appare dopo un periodo di ritardo può andare in entrambi i modi; non c’è modo di sapere in anticipo il valore di un bit arbitrario. Pertanto, quando molte transizioni di questo tipo sono state sovrapposte, gli impulsi positivi e negativi sono sovrapposti l’uno all’altro. La sovrapposizione di molti bit produce un diagramma a occhio, così chiamato perché l’immagine risultante assomiglia all’apertura di un occhio.

In un mondo ideale, i diagrammi a occhio avrebbero l’aspetto di scatole rettangolari. Nella realtà, le comunicazioni sono imperfette, quindi le transizioni non si allineano perfettamente l’una sull’altra, e ne risulta un modello a forma di occhio. Su un oscilloscopio, la forma di un diagramma a occhio dipenderà da vari tipi di segnali di trigger, come trigger di clock, trigger di clock divisi e trigger di pattern. Le differenze nella tempistica e nell’ampiezza da bit a bit causano il restringimento dell’apertura dell’occhio.
Interpretare un diagramma a occhio

Un occhio costruito correttamente dovrebbe contenere ogni possibile sequenza di bit, dai semplici 1 e 0 alternati agli 1 isolati dopo lunghe serie di 0, e tutti gli altri modelli che possono mostrare i punti deboli del progetto. I diagrammi a occhio di solito includono campioni di tensione e di tempo dei dati acquisiti a una frequenza di campionamento inferiore a quella dei dati. Nella Figura 1, le sequenze di bit 011, 001, 100 e 110 sono sovrapposte l’una sull’altra per ottenere il diagramma a occhio finale.

Figura 1 Questi diagrammi illustrano come si forma un diagramma a occhio.

Un diagramma a occhio perfetto contiene un’immensa quantità di informazioni parametriche su un segnale, come gli effetti derivanti dalla fisica, indipendentemente dalla frequenza con cui questi effetti si verificano. Se un 1 logico è così distorto che il ricevitore all’estremità lontana può giudicarlo erroneamente per uno 0 logico, lo si può facilmente discernere da un diagramma a occhio. Quello che non sarete in grado di rilevare, tuttavia, sono problemi di logica o di protocollo, come quando un sistema dovrebbe trasmettere uno 0 logico ma invia un 1 logico, o quando la logica è in conflitto con un protocollo.
Cos’è il jitter?

Anche se in teoria i diagrammi a occhio dovrebbero apparire come scatole rettangolari, i tempi finiti di salita e discesa dei segnali e degli oscilloscopi fanno sì che i diagrammi a occhio assomiglino di più all’immagine della figura 2a. Quando i segnali digitali ad alta velocità vengono trasmessi, i disturbi introdotti in varie fasi portano a errori di temporizzazione. Uno di questi errori di temporizzazione è il “jitter”, che risulta dal disallineamento dei tempi di salita e discesa (Figura 2b ).

Figura 2 (a) Tempi finiti di salita e discesa fanno sì che i diagrammi a occhio assomiglino a questa immagine piuttosto che a un rettangolo. (b) Il jitter risulta dal disallineamento dei tempi di salita e discesa. (c) Anche se l’errore assoluto di temporizzazione o il margine di jitter è inferiore a quello dell’immagine b, questo diagramma a occhio è più piccolo a causa di un bit rate più alto.

Il jitter si verifica quando un bordo di salita o di caduta si verifica in tempi che differiscono dal tempo ideale. Alcuni bordi si verificano in anticipo, altri in ritardo. In un circuito digitale, tutti i segnali sono trasmessi in riferimento a segnali di clock. La deviazione dei segnali digitali come risultato di riflessioni, interferenze intersimbolo, crosstalk, variazioni PVT (process-voltage-temperature), e altri fattori ammonta al jitter. Alcuni jitter sono semplicemente casuali.

Nella Figura 2c, l’errore assoluto di temporizzazione o il margine di jitter è inferiore a quello della Figura 2b, ma l’apertura dell’occhio nella Figura 2c è più piccola a causa del bit rate più alto. Con l’aumento del bit rate, l’errore temporale assoluto rappresenta una porzione crescente del ciclo, riducendo così la dimensione dell’apertura dell’occhio. Questo può aumentare il potenziale di errori di dati.

L’effetto della terminazione è chiaramente visibile nei diagrammi a occhio generati. Con una terminazione impropria, l’occhio appare costretto o stressato (Figura 3a ), e con schemi di terminazione migliorati, l’occhio diventa più rilassato (Figura 3b ). Una linea di segnale mal terminata soffre di riflessioni multiple. Le onde riflesse hanno un’ampiezza significativa, che può costringere gravemente l’occhio. Tipicamente, questa è la condizione operativa peggiore per il ricevitore, e se il ricevitore può funzionare senza errori in presenza di tale interferenza, allora soddisfa le specifiche.

Figura 3 (a) Una terminazione non corretta fa apparire un diagramma a occhio stressato. (b) Una terminazione corretta rilassa l’occhio.

Come si può vedere nella figura 4, un diagramma a occhio può rivelare informazioni importanti. Può indicare il punto migliore per il campionamento, divulgare il SNR (rapporto segnale-rumore) al punto di campionamento, e indicare la quantità di jitter e distorsione. Inoltre, può mostrare la variazione temporale all’attraversamento dello zero, che è una misura del jitter.

Figura 4 Un diagramma a occhio può aiutarvi a interpretare un segnale e a determinare il momento migliore per effettuare una misurazione.

I diagrammi a occhio forniscono dati visivi istantanei che gli ingegneri possono usare per controllare l’integrità del segnale di un progetto e scoprire problemi nelle prime fasi del processo di progettazione. Usato insieme ad altre misure come il tasso di errore di bit, un diagramma a occhio può aiutare un progettista a prevedere le prestazioni e identificare possibili fonti di problemi.

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