信號(hào)完整性基礎(chǔ) ▏眼圖（Eye Diagram）

2017-05-17 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

眼圖(Eye Diagram)可以顯示出數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量,經(jīng)常用于需要對(duì)電子設(shè)備、芯片中串行數(shù)字信號(hào)或者高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證的場(chǎng)合,歸根結(jié)底是對(duì)數(shù)字信號(hào)質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測(cè)手段。消費(fèi)電子中,芯片內(nèi)部、芯片與芯片之間經(jīng)常用到高速的信號(hào)傳輸,如果對(duì)應(yīng)的信號(hào)質(zhì)量不佳,將導(dǎo)致設(shè)備的不穩(wěn)定、功能執(zhí)行錯(cuò)誤,甚至故障。眼圖反映的是數(shù)字信號(hào)受物理器件、信道的影響,工程師可以通過(guò)眼圖,迅速得到待測(cè)產(chǎn)品中信號(hào)的實(shí)測(cè)參數(shù),并且可以預(yù)判在現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的問(wèn)題。

1.眼圖的形成

對(duì)于數(shù)字信號(hào),其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個(gè)bit為例,可以有000-111共8中組合,在時(shí)域上將足夠多的上述序列按某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊,然后將其波形疊加起來(lái),就形成了眼圖。如圖1。對(duì)于測(cè)試儀器而言,首先從待測(cè)信號(hào)中恢復(fù)出信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào),然后按照時(shí)鐘基準(zhǔn)來(lái)疊加出眼圖,最終予以顯示。

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圖1. 眼圖的形成

2.眼圖中包含的信息

對(duì)于一幅真實(shí)的眼圖,如圖2,首先我們可以看出數(shù)字波形的平均上升時(shí)間(Rise Time)、下降時(shí)間(Fall Time)、上沖(Overshoot)、下沖(Undershoot)、門限電平(Threshold/Crossing Percent)等基本的電平變換的參數(shù)。

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圖2. 電平變換參數(shù)

信號(hào)不可能每次高低電平的電壓值都保持完全一致,也不能保證每次高低電平的上升沿、下降沿都在同一時(shí)刻。如圖3,由于多次信號(hào)的疊加,眼圖的信號(hào)線變粗,出現(xiàn)模糊(Blur)的現(xiàn)象。所以眼圖也反映了信號(hào)的噪聲和抖動(dòng):在縱軸電壓軸上,體現(xiàn)為電壓的噪聲(Voltage Noise);在橫軸時(shí)間軸上,體現(xiàn)為時(shí)域的抖動(dòng)(Jitter)。

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圖3. 噪聲和抖動(dòng)

由于噪聲和抖動(dòng),眼圖上的空白區(qū)域變小。如圖4,在除去抖動(dòng)和噪聲的基礎(chǔ)上,眼圖上空白的區(qū)域在橫軸上的距離稱為眼寬(Eye Width),在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時(shí),眼寬很好的反映了傳輸線上信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間;同理,眼圖上空白的區(qū)域在縱軸上的距離稱為眼高(Eye Height),在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時(shí),眼高很好的反映了傳輸線上信號(hào)的噪聲容限,同時(shí),眼圖中眼高最大的地方,即為最佳判決時(shí)刻。

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圖4.眼高和眼寬

數(shù)字信號(hào)在采樣前后,需要有一定的建立時(shí)間(Setup Time)和保持時(shí)間(Hold Time),數(shù)字信號(hào)在這一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)保持穩(wěn)定,才能保證正確采樣,如圖5.1中藍(lán)色部分。而對(duì)于輸入電平的判決,需要高電平的電壓值高于輸入高電平VIH,低電平的電壓值地與輸入低電平VIL,如圖5.1中的綠色部分。所以,我們可以得知最早的采樣時(shí)刻和最晚的采樣時(shí)刻如圖5.1和5.2所示。

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圖5.1采樣和判決a

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圖5.2采樣和判決b

在最佳采樣時(shí)刻,采樣的誤碼率是最低的,而隨著采樣時(shí)刻向時(shí)間軸兩側(cè)的移動(dòng),誤碼率不斷增大,如圖6所示。所以工程上也經(jīng)常畫出信號(hào)采樣周期內(nèi)誤碼率的變化曲線,稱為澡盆曲線(Bathtub Curve)。

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圖6. Bathtub Curve

在實(shí)際測(cè)試時(shí),為了提高測(cè)試效率,經(jīng)常使用到的方法是Mask Testing。即根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)男枨?在眼圖上規(guī)定一個(gè)區(qū)域(如圖7中的菱形區(qū)域),要求左右的信號(hào)全部出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域之外,一旦菱形區(qū)域內(nèi)有出現(xiàn)信號(hào),則宣布測(cè)試未通過(guò)。