Grondbeginselen oogdiagrammen: Oogdiagrammen lezen en toepassen

De steeds hogere datasnelheden, de grotere ontwerpcomplexiteit, de normvereisten en de kortere cyclustijden vragen van ontwerpers dat zij complexe problemen met de signaalintegriteit in een zo vroeg mogelijk stadium debuggen. Omdat de seriële datalinks van vandaag werken met transmissiefrequenties van gigahertz, kan een groot aantal variabelen de integriteit van signalen beïnvloeden, waaronder transmissielijneffecten, impedantiemismatches, signaalroutering, afsluitingsschema’s en aardingsschema’s. Door met een oscilloscoop een oogdiagram te maken, kunnen technici snel de systeemprestaties evalueren en inzicht krijgen in de aard van de kanaalimperfecties die tot fouten kunnen leiden wanneer een ontvanger de waarde van een bit probeert te interpreteren.

Een serieel digitaal signaal kan te lijden hebben onder onvolkomenheden wanneer het van een zender naar een ontvanger reist. De zender, PCB-sporen, connectoren en kabels zullen interferentie introduceren die een signaal zowel in amplitude als timing zal degraderen. Een signaal kan ook worden aangetast door interne bronnen. Wanneer bijvoorbeeld signalen op aangrenzende paren printsporen of IC-pennen met elkaar gaan interfereren, kan overspraak tussen die signalen andere signalen verstoren. Het is dus zaak te bepalen op welk punt de oscilloscoop-probe moet worden geplaatst om een oogdiagram te genereren waarmee de bron van het probleem kan worden opgespoord. Bovendien zal de plaats waar u de probe van een oscilloscoop plaatst verschillende signalen op het scherm produceren.
Een oogdiagram genereren

Een oogdiagram is een veelgebruikte indicator voor de kwaliteit van signalen in digitale transmissies met hoge snelheid. Een oscilloscoop genereert een oogdiagram door het overlappen van sweeps van verschillende segmenten van een lange datastroom, aangedreven door een hoofdklok. De triggerende flank kan positief of negatief zijn, maar de weergegeven puls die na een vertragingsperiode verschijnt, kan beide kanten op gaan; er is geen manier om van tevoren de waarde van een willekeurig bit te weten. Wanneer veel van dergelijke overgangen over elkaar zijn gelegd, worden positieve en negatieve pulsen over elkaar heen gelegd. Door veel bits over elkaar heen te leggen ontstaat een oogdiagram, zo genoemd omdat het resulterende beeld eruit ziet als de opening van een oog.

In een ideale wereld zouden oogdiagrammen eruit zien als rechthoekige dozen. In werkelijkheid is de communicatie onvolmaakt, zodat de overgangen niet perfect op elkaar aansluiten, en een oogvormig patroon het resultaat is. Op een oscilloscoop zal de vorm van een oogdiagram afhangen van verschillende soorten triggersignalen, zoals kloktriggers, verdeelde kloktriggers, en patroontriggers. Verschillen in timing en amplitude van bit tot bit zorgen ervoor dat de oogopening kleiner wordt.
Een oogdiagram interpreteren

Een goed geconstrueerd oog moet elke mogelijke bitreeks bevatten, van eenvoudige afwisselende 1’s en 0’s tot geïsoleerde 1’s na lange reeksen van 0’s, en alle andere patronen die zwakke punten in het ontwerp aan het licht kunnen brengen. Oogdiagrammen omvatten gewoonlijk spannings- en tijdmonsters van de gegevens die zijn verkregen met een lagere bemonsteringssnelheid dan de datasnelheid. In figuur 1 worden de bitreeksen 011, 001, 100 en 110 over elkaar heen gelegd om het uiteindelijke oogdiagram te verkrijgen.

Figuur 1 Deze diagrammen illustreren hoe een oogdiagram wordt gevormd.

Een perfect oogdiagram bevat een immense hoeveelheid parametrische informatie over een signaal, zoals de effecten die uit de fysica voortvloeien, ongeacht hoe onregelmatig deze effecten optreden. Als een logische 1 zo vervormd is dat de ontvanger aan de andere kant hem voor een logische 0 kan houden, dan kun je dat gemakkelijk uit een oogdiagram afleiden. Wat u echter niet zult kunnen detecteren, zijn problemen met de logica of het protocol, zoals wanneer een systeem geacht wordt een logische 0 uit te zenden, maar een logische 1 zendt, of wanneer de logica in strijd is met een protocol.
Wat is jitter?

Hoewel oogdiagrammen er in theorie uit zouden moeten zien als rechthoekige vakjes, zorgen de eindige stijg- en daaltijden van signalen en oscilloscopen ervoor dat oogdiagrammen er in werkelijkheid meer uitzien als de afbeelding in figuur 2a . Wanneer digitale signalen met hoge snelheid worden verzonden, leiden de in diverse stadia geïntroduceerde storingen tot fouten in de timing. Een van die fouten in de timing is “jitter”, die het gevolg is van een onjuiste uitlijning van stijg- en daaltijden (figuur 2b ).

Figuur 2 (a) Eindige stijg- en daaltijden zorgen ervoor dat oogdiagrammen er uitzien als deze afbeelding in plaats van als een rechthoek. (b) Jitter is het gevolg van een onjuiste uitlijning van stijg- en daaltijden. (c) Hoewel de absolute timingfout of jittermarge kleiner is dan in afbeelding b, is deze oogopening kleiner vanwege een hogere bitsnelheid.

Jitter treedt op wanneer een stijgende of dalende flank optreedt op tijdstippen die verschillen van de ideale tijd. Sommige randen treden vroeg op, andere laat. In een digitale schakeling worden alle signalen verzonden in referentie tot kloksignalen. De afwijking van de digitale signalen als gevolg van reflecties, intersymbol-interferentie, overspraak, PVT (proces-spanning-temperatuur) variaties, en andere factoren komt neer op jitter. Sommige jitter is gewoon willekeurig.

In figuur 2c is de absolute timingfout of jittermarge kleiner dan die in figuur 2b , maar de oogopening in figuur 2c is kleiner vanwege de hogere bitsnelheid. Met de toename van de bitsnelheid vertegenwoordigt de absolute tijdfout een steeds groter deel van de cyclus, waardoor de oogopening kleiner wordt. Hierdoor kan de kans op gegevensfouten toenemen.

Het effect van terminatie is duidelijk zichtbaar in de gegenereerde oogdiagrammen. Bij onjuiste termination ziet het oog er strak of gespannen uit (figuur 3a ), en bij verbeterde termination schema’s wordt het oog meer ontspannen (figuur 3b ). Een slecht afgewerkte signaallijn heeft te lijden van meervoudige reflecties. De gereflecteerde golven hebben een aanzienlijke amplitude, waardoor het oog ernstig kan worden ingesnoerd. Doorgaans is dit de ongunstigste bedrijfstoestand voor de ontvanger, en als de ontvanger foutloos kan werken in aanwezigheid van dergelijke interferentie, dan voldoet hij aan de specificaties.

Figuur 3 (a) Door een onjuiste afsluitweerstand ziet een oogdiagram er gespannen uit. (b) Een juiste terminatie ontspant het oog.

Zoals te zien is in figuur 4, kan een oogdiagram belangrijke informatie onthullen. Het kan het beste punt voor bemonstering aangeven, de SNR (signaal-ruisverhouding) op het bemonsteringspunt onthullen, en de hoeveelheid jitter en vervorming aangeven. Bovendien kan het de tijdvariatie bij nuldoorgang laten zien, wat een maat voor jitter is.

Figuur 4 Een oogdiagram kan u helpen een signaal te interpreteren en het beste meetmoment te bepalen.

Eoogdiagrammen bieden directe visuele gegevens die ingenieurs kunnen gebruiken om de signaalintegriteit van een ontwerp te controleren en problemen vroeg in het ontwerpproces aan het licht te brengen. In combinatie met andere metingen, zoals bit-error rate, kan een oogdiagram een ontwerper helpen de prestaties te voorspellen en mogelijke bronnen van problemen te identificeren.

Zie ook :

• Evolutie van het oogdiagram
• Hoe het kwaad uit oogdiagrammen te halen
• Waarom correleert een oogdiagram niet met een badkuipcurve?
• Jitter op drie manieren meten
• CAN oogdiagrammasker testen voor automotive toepassingen
• Hoe volgende-generatie geheugen te verifiëren en debuggen
• Hoe complexe seriële-bus-link modellen te valideren en analyseren