Bazele diagramei oculare: Citirea și aplicarea diagramelor de ochi

Accelerarea vitezelor de transfer de date, complexitatea mai mare a proiectării, cerințele standardelor și ciclurile mai scurte impun inginerilor proiectanți să depaneze problemele complexe de integritate a semnalului cât mai devreme posibil. Deoarece legăturile de date seriale de astăzi funcționează la frecvențe de transmisie de gigahertzi, o serie de variabile pot afecta integritatea semnalelor, inclusiv efectele liniei de transmisie, nepotrivirile de impedanță, rutarea semnalelor, schemele de terminare și schemele de împământare. Utilizând un osciloscop pentru a crea o diagramă de ochi, inginerii pot evalua rapid performanța sistemului și pot obține informații despre natura imperfecțiunilor canalului care pot duce la erori atunci când un receptor încearcă să interpreteze valoarea unui bit.

Un semnal digital serial poate suferi deteriorări pe măsură ce călătorește de la un emițător la un receptor. Transmițătorul, urmele de pe PCB, conectorii și cablurile vor introduce interferențe care vor degrada un semnal atât în amplitudine, cât și în sincronizare. De asemenea, un semnal poate suferi deteriorări din surse interne. De exemplu, atunci când semnalele de pe perechi adiacente de urme de PCB sau de pini de circuite integrate se comută, diafonia dintre aceste semnale poate interfera cu alte semnale. Astfel, trebuie să determinați în ce punct să plasați sonda osciloscopului pentru a genera o diagramă de ochi care vă va ajuta să localizați sursa problemei. Mai mult, locul în care plasați sonda unui osciloscop va produce semnale diferite pe afișaj.
Generarea unei diagrame de ochi

O diagramă de ochi este un indicator comun al calității semnalelor în transmisiile digitale de mare viteză. Un osciloscop generează o diagramă de ochi prin suprapunerea unor baleieri ale diferitelor segmente ale unui flux de date lung condus de un ceas principal. Marginea de declanșare poate fi pozitivă sau negativă, dar impulsul afișat care apare după o perioadă de întârziere poate merge în ambele sensuri; nu există nicio modalitate de a cunoaște dinainte valoarea unui bit arbitrar. Prin urmare, atunci când mai multe astfel de tranziții au fost suprapuse, impulsurile pozitive și negative se suprapun unul peste celălalt. Suprapunerea mai multor biți produce o diagramă de ochi, numită astfel deoarece imaginea rezultată seamănă cu deschiderea unui ochi.

Într-o lume ideală, diagramele de ochi ar arăta ca niște cutii dreptunghiulare. În realitate, comunicațiile sunt imperfecte, astfel încât tranzițiile nu se aliniază perfect unele peste altele și rezultă un model în formă de ochi. Pe un osciloscop, forma unei diagrame de ochi va depinde de diferite tipuri de semnale de declanșare, cum ar fi declanșatoarele de ceas, declanșatoarele de ceas divizat și declanșatoarele de model. Diferențele de sincronizare și de amplitudine de la un bit la altul determină micșorarea deschiderii ochiului.
Interpretarea unei diagrame ochi

Un ochi construit în mod corespunzător ar trebui să conțină toate secvențele de biți posibile, de la simple secvențe alternative de 1 și 0 până la secvențe izolate de 1 după serii lungi de 0, precum și toate celelalte modele care pot evidenția puncte slabe în proiectare. Diagramele de ochi includ de obicei eșantioane de tensiune și de timp ale datelor achiziționate la o rată de eșantionare inferioară ratei de date. În figura 1 , secvențele de biți 011, 001, 100 și 110 sunt suprapuse una peste alta pentru a obține diagrama de ochi finală.

Figura 1 Aceste diagrame ilustrează modul în care se formează o diagramă de ochi.

O diagramă ochi perfectă conține o cantitate imensă de informații parametrice despre un semnal, precum efectele care derivă din fizică, indiferent de cât de rar apar aceste efecte. Dacă un 1 logic este atât de distorsionat încât receptorul de la capătul îndepărtat îl poate confunda cu un 0 logic, veți discerne cu ușurință acest lucru dintr-o diagramă de ochi. Ceea ce nu veți putea detecta, însă, sunt problemele de logică sau de protocol, cum ar fi atunci când un sistem ar trebui să transmită un 0 logic, dar trimite un 1 logic, sau când logica este în conflict cu un protocol.
Ce este jitterul?

Deși în teorie diagramele de ochi ar trebui să arate ca niște cutii dreptunghiulare, timpii fini de creștere și de scădere ai semnalelor și osciloscoapele fac ca diagramele de ochi să arate de fapt mai mult ca imaginea din figura 2a . Atunci când sunt transmise semnale digitale de mare viteză, deficiențele introduse în diferite etape conduc la erori de sincronizare. O astfel de eroare de sincronizare este „jitterul”, care rezultă din nealinierea timpilor de creștere și de scădere (figura 2b ).

Figura 2 (a) Timpii fini de creștere și de scădere fac ca diagramele de ochi să arate ca această imagine mai degrabă decât ca un dreptunghi. (b) Jitterul rezultă din nealinierea timpilor de creștere și scădere. (c) Deși eroarea absolută de sincronizare sau marja de jitter este mai mică decât cea din imaginea b, această deschidere a ochiului este mai mică din cauza unei viteze de biți mai mari.

Jitter apare atunci când fronturile de urcare sau de coborâre apar la momente care diferă de timpul ideal. Unele muchii apar mai devreme, altele apar mai târziu. Într-un circuit digital, toate semnalele sunt transmise în raport cu semnalele de ceas. Abaterea semnalelor digitale ca urmare a reflexiilor, a interferențelor intersimbol, a diafoniei, a variațiilor PVT (proces-tensiune-temperatură) și a altor factori reprezintă jitter. O parte din jitter este pur și simplu aleatorie.

În figura 2c, eroarea absolută de sincronizare sau marja de jitter este mai mică decât cea din figura 2b , dar deschiderea ochiului din figura 2c este mai mică din cauza ratei de biți mai mari. Odată cu creșterea ratei de biți, eroarea temporală absolută reprezintă o porțiune din ce în ce mai mare din ciclu, reducând astfel dimensiunea deschiderii ochiului. Acest lucru poate crește potențialul de erori de date.

Efectul terminării este clar vizibil în diagramele de ochi generate. Cu o terminare necorespunzătoare, ochiul pare constrâns sau stresat (figura 3a ), iar cu scheme de terminare îmbunătățite, ochiul devine mai relaxat (figura 3b ). O linie de semnal prost terminată suferă de reflexii multiple. Undele reflectate au o amplitudine semnificativă, ceea ce poate constrânge grav ochiul. În mod obișnuit, aceasta este cea mai gravă condiție de funcționare a receptorului, iar dacă receptorul poate funcționa fără erori în prezența unor astfel de interferențe, atunci el îndeplinește specificațiile.

Figura 3 (a) O terminație necorespunzătoare face ca o diagramă de ochi să aibă un aspect tensionat. (b) O terminație adecvată relaxează ochiul.

Așa cum se poate observa în figura 4, o diagramă ochi poate dezvălui informații importante. Ea poate indica cel mai bun punct de eșantionare, poate divulga SNR (raportul semnal-zgomot) la punctul de eșantionare și poate indica valoarea jitterului și a distorsiunii. În plus, poate arăta variația de timp la trecerea la zero, care este o măsură a jitterului.

Figura 4 O diagramă de ochi vă poate ajuta să interpretați un semnal și să determinați cel mai bun moment pentru efectuarea unei măsurători.

Diagramele de ochi oferă date vizuale instantanee pe care inginerii le pot folosi pentru a verifica integritatea semnalului unui proiect și pentru a descoperi probleme la începutul procesului de proiectare. Utilizată împreună cu alte măsurători, cum ar fi rata de eroare de bit, o diagramă de ochi poate ajuta un proiectant să prezică performanța și să identifice posibilele surse de probleme.

Vezi și :

• Evoluția diagramei de ochi
• Cum să scoatem răul din diagramele de ochi
• De ce o diagramă de ochi nu se corelează cu o curbă de cadă?
• Măsurați jitterul în trei moduri
• Testarea măștilor de tip eye-diagramă CAN pentru aplicații auto
• Cum să verificați și să depanați memoria de ultimă generație
• Cum să validați și să analizați modelele complexe de legături serial-bus

.