眼图基础知识:阅读和应用眼图

加速数据速率,更高的设计复杂性,标准要求和更短的周期时间,这使得设计工程师需要尽早调试复杂的信号完整性问题。由于今天的串行数据链路以千兆赫的传输频率工作,因此许多变量会影响信号的完整性,包括传输线效应,阻抗不匹配,信号路由,终端方案和接地方案。通过使用示波器创建眼图,工程师可以快速评估系统性能并深入了解通道缺陷的性质,当接收器试图解释某个值时,这些缺陷可能导致错误。

串行数字信号在从发射器传输到接收器时会受到损害。发射器,PCB走线,连接器和电缆会引入干扰,从而降低信号的幅度和时序。信号也可能受到内部资源的损害。例如,当相邻的PCB走线对或IC引脚上的信号切换时,这些信号之间的串扰可能会干扰其他信号。因此,您需要确定放置示波器探头的位置,以生成可帮助您找到问题根源的眼图。此外,放置示波器探头的位置会在显示屏上产生不同的信号。

生成眼图

眼图是高速数字传输中信号质量的常见指标。示波器通过覆盖由主时钟驱动的长数据流的不同段的扫描来生成眼图。触发边缘可以是正的或负的,但是在延迟时间之后出现的显示脉冲可以是任一方式; 没有办法事先知道任意位的值。因此,当重叠许多这样的转变时,正脉冲和负脉冲彼此叠加。覆盖许多位产生眼图,因为所得图像看起来像眼睛的开口。

在理想的世界中,眼图看起来像矩形框。实际上,通信是不完美的,因此转换不能完美地排列在彼此之上,并且会产生眼形图案。在示波器上,眼图的形状将取决于各种类型的触发信号,例如时钟触发,分频时钟触发和模式触发。时间和幅度在位与位之间的差异导致眼图开度缩小。

解释眼图

正确构造的眼睛应该包含从0的长期运行后的简单交替1和0到孤立1的每个可能的位序列,以及可能显示设计中的弱点的所有其他模式。眼图通常包括以低于数据速率的某个采样率采集的数据的电压和时间样本。在图1中,比特序列011,001,100和110彼此叠加以获得最终眼图。

 
 如何形成眼图

图1这些图说明了如何形成眼图。


完美的眼图包含大量关于信号的参数信息,例如源自物理的效果,而不管这些效应发生的频率如何。如果逻辑1如此失真以至于远端的接收器可能误判它为逻辑0,您将很容易从眼图中辨别出来。但是,您无法检测到的是逻辑或协议问题,例如系统应该发送逻辑0但发送逻辑1,或者逻辑与协议冲突时。

什么是抖动?

虽然理论上眼图应该看起来像矩形框,但信号和示波器的有限上升和下降时间使得眼图实际上看起来更像图2a中的图像。当传输高速数字信号时,在各个阶段引入的损伤会导致定时误差。一个这样的定时误差是“抖动”,这是由上升和下降时间的不对齐引起的(图2b)。

 
抖动会影响眼图的外观
图2(a)有限的上升和下降时间使得眼图看起来像这个图像而不是像矩形。(b)抖动是由于上升和下降时间的错位造成的。(c)尽管绝对定时误差或抖动余量小于图像b中的绝对定时误差或抖动余量,但由于比特率较高,因此该眼图开度较小。


当在与理想时间不同的时间发生骑行或下降边缘时发生抖动。有些边缘早出现,有些出现晚。在数字电路中,所有信号都是参考时钟信号发送的。由于反射,符号间干扰,串扰,PVT(过程 - 电压 - 温度)变化以及其他因素导致的数字信号的偏差等于抖动。有些抖动只是随机的。

图2c中,绝对定时误差或抖动余量小于图2b中的,但是图2c中的眼开度由于比特率较高,因此较小。随着比特率的增加,绝对时间误差表示周期的增加部分,因此减小了眼图开口的尺寸。这可能会增加数据错误的可能性。

终止效果在生成的眼图中清晰可见。如果终止不当,眼睛看起来受到约束或受压(图3a),并且通过改进的终止方案,眼睛变得更加放松(图3b))。端接不良的信号线会遭受多次反射。反射波具有显着的幅度,这可能严重地收缩眼睛。通常,这是接收器的最坏情况操作条件,并且如果接收器在存在这种干扰的情况下可以无差错地操作,则它满足规范。

 
不正确和正确的终止会影响眼图的外观

图3(a)不正确的终止导致眼图看起来很紧张。(b)适当的终止会使眼睛放松。


图4中可以看出眼图可以揭示重要信息。它可以指示采样的最佳点,在采样点泄漏SNR(信噪比),并指示抖动和失真的量。此外,它还可以显示过零时的时间变化,这是抖动的度量。

解释眼图

图4眼图可以帮助您解释信号并确定进行测量的最佳时间。






 
眼图提供即时可视数据,工程师可以使用它来检查设计的信号完整性,并在设计过程的早期发现问题。与其他测量结果(如误码率)配合使用,眼图可以帮助设计人员预测性能并识别可能的问题根源。

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