Grunderna i ögondiagrammet: Läsning och tillämpning av ögondiagram

Snabbare datahastigheter, större komplexitet i konstruktionen, krav på standarder och kortare cykeltider ställer högre krav på konstruktörer att felsöka komplexa signalintegritetsproblem så tidigt som möjligt. Eftersom dagens seriella datalänkar arbetar vid överföringsfrekvenser på gigahertz kan en mängd variabler påverka signalernas integritet, inklusive effekter av överföringsledningar, impedansmissmatchningar, signalrouting, terminerings- och jordningsscheman. Genom att använda ett oscilloskop för att skapa ett ögondiagram kan ingenjörer snabbt utvärdera systemprestanda och få insikt i arten av kanalimperfektioner som kan leda till fel när en mottagare försöker tolka värdet av en bit.

En seriell digital signal kan drabbas av försämringar när den färdas från en sändare till en mottagare. Sändaren, PCB-spår, kontakter och kablar kommer att införa störningar som försämrar en signal både vad gäller amplitud och timing. En signal kan också drabbas av försämringar från interna källor. När till exempel signaler på intilliggande par av PCB-spår eller IC-stift växlar kan överhörning mellan dessa signaler störa andra signaler. Därför måste du bestämma vid vilken punkt du ska placera oscilloskopproben för att generera ett ögondiagram som hjälper dig att lokalisera problemets källa. Dessutom kommer var du placerar oscilloskopets sond att ge olika signaler på displayen.
Generera ett ögondiagram

Ett ögondiagram är en vanlig indikator på signalernas kvalitet i digitala överföringar med hög hastighet. Ett oscilloskop genererar ett ögondiagram genom att överlagra svepningar av olika segment av en lång dataström som drivs av en huvudklocka. Den utlösande flanken kan vara positiv eller negativ, men den visade pulsen som visas efter en fördröjningsperiod kan gå åt båda hållen; det finns inget sätt att i förväg veta värdet av en godtycklig bit. När många sådana övergångar har överlagrats överlappar därför positiva och negativa pulser varandra. Överlagring av många bitar ger ett ögondiagram, som kallas så eftersom den resulterande bilden ser ut som öppningen av ett öga.

I en idealisk värld skulle ögondiagrammen se ut som rektangulära lådor. I verkligheten är kommunikationen ofullständig, så övergångarna ligger inte perfekt på rad ovanpå varandra, och ett ögonformat mönster uppstår. På ett oscilloskop beror formen på ett ögondiagram på olika typer av triggersignaler, t.ex. klockutlösare, delade klockutlösare och mönsterutlösare. Skillnader i timing och amplitud från bit till bit gör att ögonöppningen krymper.
Tolkning av ett ögondiagram

Ett korrekt konstruerat öga bör innehålla alla möjliga bitsekvenser från enkla alternerande 1:or och 0:or till isolerade 1:or efter långa serier av 0:or och alla andra mönster som kan visa på svagheter i konstruktionen. Ögondiagrammen innehåller vanligen spännings- och tidsprover av data som förvärvats med en samplingsfrekvens som är lägre än datahastigheten. I figur 1 läggs bitsekvenserna 011, 001, 100 och 110 över varandra för att erhålla det slutliga ögondiagrammet.

Figur 1 Dessa diagram illustrerar hur ett ögondiagram bildas.

Ett perfekt ögondiagram innehåller en enorm mängd parametrisk information om en signal, liksom de effekter som härrör från fysiken, oavsett hur sällan dessa effekter förekommer. Om en logisk 1 är så förvrängd att mottagaren i den bortre änden kan missbedöma den för logisk 0, kan man lätt urskilja detta i ett ögondiagram. Vad du däremot inte kommer att kunna upptäcka är logik- eller protokollproblem, t.ex. när ett system ska överföra en logisk 0 men skickar en logisk 1, eller när logiken står i konflikt med ett protokoll.
Vad är jitter?

Och även om ögondiagram i teorin borde se ut som rektangulära rutor, gör de ändliga stignings- och falltiderna för signaler och oscilloskop att ögondiagrammen i själva verket ser mer ut som bilden i figur 2a . När digitala höghastighetssignaler överförs leder de försämringar som införs i olika steg till tidsfel. Ett sådant tidsfel är ”jitter”, som beror på att stignings- och falltiderna är feljusterade (figur 2b ).

Figur 2 (a) Begränsade stignings- och falltider gör att ögondiagrammen ser ut som den här bilden snarare än som en rektangel. (b) Jitter är ett resultat av feljustering av stignings- och falltiderna. (c) Även om det absoluta tidsfelet eller jittermarginalen är mindre än i bild b är denna ögonöppning mindre på grund av en högre bithastighet.

Jitter uppstår när en stigande eller fallande flank inträffar vid tider som skiljer sig från den ideala tiden. Vissa kanter inträffar tidigt, andra inträffar sent. I en digital krets överförs alla signaler med hänvisning till klocksignaler. De digitala signalernas avvikelse till följd av reflektioner, intersymbolinterferens, överhörning, PVT-variationer (process-spänning-temperatur) och andra faktorer uppgår till jitter. En del jitter är helt enkelt slumpmässig.

I figur 2c är det absoluta tidsfelet eller jittermarginalen mindre än i figur 2b , men ögonöppningen i figur 2c är mindre på grund av den högre bithastigheten. Med ökad bithastighet representerar det absoluta tidsfelet en allt större del av cykeln, vilket minskar storleken på ögonöppningen. Detta kan öka potentialen för datafel.

Effekten av terminering syns tydligt i de ögondiagram som genereras. Med en felaktig terminering ser ögat ut att vara begränsat eller stressat (figur 3a ), och med förbättrade termineringsscheman blir ögat mer avslappnat (figur 3b ). En dåligt terminerad signalledning lider av flera reflektioner. De reflekterade vågorna har en betydande amplitud, vilket kan leda till att ögat blir hårt trångt. Typiskt sett är detta det värsta driftstillståndet för mottagaren, och om mottagaren kan fungera felfritt i närvaro av sådana störningar uppfyller den specifikationerna.

Figur 3 (a) Ofördelaktig terminering gör att ett ögondiagram ser stressat ut. (b) Korrekt terminering avslappnar ögat.

Som framgår av figur 4 kan ett ögondiagram avslöja viktig information. Det kan indikera den bästa punkten för sampling, avslöja SNR (signal-brusförhållandet) vid samplingspunkten och indikera mängden jitter och distorsion. Dessutom kan det visa tidsvariationen vid nollgenomgång, vilket är ett mått på jitter.

Figur 4 Ett ögondiagram kan hjälpa dig att tolka en signal och bestämma den bästa tidpunkten för att göra en mätning.

Ögondiagram ger omedelbar visuell data som ingenjörer kan använda för att kontrollera signalintegriteten i en konstruktion och avslöja problem tidigt i konstruktionsprocessen. Tillsammans med andra mätningar, t.ex. bitfelfrekvens, kan ett ögondiagram hjälpa en konstruktör att förutsäga prestanda och identifiera möjliga problemkällor.

Se även :

• Ögendiagrammets utveckling
• Hur man tar bort det onda från ögendiagram
• Varför korrelerar inte ett ögendiagram med en badkarskurva?
• Mät jitter på tre sätt
• CAN-ögondiagrammasktestning för fordonstillämpningar
• Hur man verifierar och felsöker nästa generations minne
• Hur man validerar och analyserar komplexa modeller för seriella busslänkar