Noções básicas de diagrama de olho: Ler e aplicar diagramas oculares

Acelerar as taxas de dados, maior complexidade de projeto, requisitos de padrões e tempos de ciclo mais curtos colocam maior demanda nos engenheiros de projeto para depurar problemas complexos de integridade de sinal o mais cedo possível. Como os links de dados seriais atuais operam em frequências de transmissão em gigahertz, uma série de variáveis pode afetar a integridade dos sinais, incluindo efeitos de linhas de transmissão, desencontros de impedância, roteamento de sinais, esquemas de terminação e esquemas de aterramento. Ao usar um osciloscópio para criar um diagrama ocular, os engenheiros podem avaliar rapidamente o desempenho do sistema e obter uma visão da natureza das imperfeições do canal que podem levar a erros quando um receptor tenta interpretar o valor de um bit.

Um sinal digital serial pode sofrer prejuízos enquanto ele viaja de um transmissor para um receptor. O transmissor, traços PCB, conectores e cabos introduzirão interferências que irão degradar um sinal tanto em sua amplitude como em seu tempo. Um sinal também pode sofrer interferências de fontes internas. Por exemplo, quando os sinais em pares adjacentes de traços PCB ou pinos IC se alternam, o crosstalk entre esses sinais pode interferir com outros sinais. Assim, você precisa determinar em que ponto colocar a sonda do osciloscópio para gerar um diagrama ocular que o ajudará a localizar a fonte do problema. Além disso, onde você coloca a sonda do osciloscópio produzirá sinais diferentes no display.
Gerar um diagrama ocular

Um diagrama ocular é um indicador comum da qualidade dos sinais nas transmissões digitais de alta velocidade. Um osciloscópio gera um diagrama com os olhos através da sobreposição de varreduras de diferentes segmentos de um longo fluxo de dados acionado por um relógio mestre. A margem de disparo pode ser positiva ou negativa, mas o pulso exibido que aparece após um período de atraso pode ir para qualquer direção; não há como saber de antemão o valor de um bit arbitrário. Portanto, quando muitas dessas transições foram sobrepostas, pulsos positivos e negativos são sobrepostos uns aos outros. A sobreposição de muitos bits produz um diagrama de olho, assim chamado porque a imagem resultante parece a abertura de um olho.

Num mundo ideal, os diagramas de olho pareceriam caixas retangulares. Na realidade, as comunicações são imperfeitas, por isso as transições não se alinham perfeitamente umas sobre as outras, o que resulta num padrão em forma de olho. Em um osciloscópio, a forma de um diagrama de olho dependerá de vários tipos de sinais de disparo, tais como disparadores de relógio, disparadores de relógio dividido e disparadores de padrão. As diferenças de tempo e amplitude de bit a bit fazem com que a abertura do olho encolha.
Interpretando um diagrama ocular

Um olho construído adequadamente deve conter todas as sequências de bit possíveis desde simples 1’s e 0’s alternados até 1’s isolados após longas corridas de 0’s, e todos os outros padrões que possam mostrar fraquezas no desenho. Os diagramas oculares normalmente incluem amostras de tensão e tempo dos dados adquiridos a alguma taxa de amostragem abaixo da taxa de dados. Na Figura 1, as sequências de bits 011, 001, 100 e 110 são sobrepostas umas sobre as outras para obter o diagrama ocular final.

Figure 1 Estes diagramas ilustram como um diagrama ocular é formado.

Um diagrama de olho perfeito contém uma quantidade imensa de informação paramétrica sobre um sinal, como os efeitos derivados da física, independentemente de quão pouco frequentemente esses efeitos ocorrem. Se uma lógica 1 estiver tão distorcida que o receptor no extremo remoto possa julgá-la erroneamente para a lógica 0, você irá facilmente discernir isso a partir de um diagrama de olho. O que você não será capaz de detectar, entretanto, são problemas de lógica ou de protocolo, como quando um sistema é suposto transmitir uma lógica 0 mas envia uma lógica 1, ou quando a lógica está em conflito com um protocolo.
O que é jitter?

Embora na teoria os diagramas oculares devam parecer caixas retangulares, os tempos finitos de subida e descida dos sinais e osciloscópios fazem com que os diagramas oculares se pareçam mais com a imagem da Figura 2a . Quando os sinais digitais de alta velocidade são transmitidos, as deficiências introduzidas em vários estágios levam a erros de tempo. Um desses erros de tempo é “jitter”, que resulta do desalinhamento dos tempos de subida e descida (Figura 2b ).

Figure 2 (a) Os tempos finitos de subida e descida fazem com que os diagramas oculares se pareçam mais com esta imagem do que com um rectângulo. (b) O Jitter resulta do desalinhamento dos tempos de subida e descida. (c) Embora o erro de tempo absoluto ou margem de jitter seja menor do que o da imagem b, esta abertura dos olhos é menor devido a uma maior taxa de bits.

Jitter ocorre quando uma equitação ou queda ocorre em momentos que diferem do tempo ideal. Algumas bordas ocorrem cedo, algumas ocorrem tarde. Em um circuito digital, todos os sinais são transmitidos em referência aos sinais do relógio. O desvio dos sinais digitais como resultado de reflexos, interferências entre símbolos, variações de crosstalk, PVT (processo-voltagem-temperatura), e outros fatores, é de jitter. Alguns jitter são simplesmente aleatórios.

Na Figura 2c, o erro de tempo absoluto ou margem de jitter é menor que o da Figura 2b , mas a abertura dos olhos na Figura 2c é menor devido à maior taxa de bits. Com o aumento da taxa de bits, o erro de tempo absoluto representa uma parte crescente do ciclo, reduzindo assim o tamanho da abertura do olho. Isso pode aumentar o potencial de erros de dados.

O efeito da terminação é claramente visível nos diagramas oculares gerados. Com a terminação inadequada, o olho fica com um aspecto restrito ou estressado (Figura 3a ), e com esquemas de terminação melhorados, o olho fica mais relaxado (Figura 3b ). Uma linha de sinal mal terminada sofre de reflexos múltiplos. As ondas refletidas são de amplitude significativa, o que pode comprimir severamente o olho. Tipicamente, esta é a pior condição de operação para o receptor, e se o receptor puder operar sem erros na presença de tal interferência, então ele atende às especificações.

Figura 3 (a) Terminação inadequada faz com que um diagrama ocular fique estressado. (b) A terminação adequada relaxa o olhar.

Como pode ser visto na Figura 4, um diagrama de olho pode revelar informações importantes. Ele pode indicar o melhor ponto para amostragem, divulgar a SNR (relação sinal/ruído) no ponto de amostragem e indicar a quantidade de trepidação e distorção. Adicionalmente, ele pode mostrar a variação de tempo no cruzamento zero, que é uma medida de jitter.

Figure 4 Um diagrama ocular pode ajudar a interpretar um sinal e determinar o melhor tempo para fazer uma medição.

Diagramas oculares fornecem dados visuais instantâneos que os engenheiros podem usar para verificar a integridade do sinal de um projeto e descobrir problemas no início do processo de projeto. Usado em conjunto com outras medidas, como a taxa de erro de bit, um diagrama de olho pode ajudar um projetista a prever o desempenho e identificar possíveis fontes de problemas.

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