數字時序:時鍾信號、抖動、遲滯和眼圖
時鍾信號 Clock Signals
發送數字信號其實發送的就是一串由0或1組成的數字序列。 然而，與不同設備進行通信時，時序信息要與發送的比特位相關聯。 數字波形作為時鍾信號的參考。 您可以將時鍾信號看成是一個指揮者，它為數字電路系統的各個部分提供時序信號，使每個過程都可在精確的時間點觸發。
時鍾信號是具有固定周期的方波。 周期是指一個時鍾邊沿到下一個同類時鍾邊沿之間的時間間隔，最常用的方式是一個上升沿到下一個上升沿之間的時間間隔。 時鍾的頻率等於時鍾周期的倒數。
圖1. 數字波形作為時鍾信號的參考，時鍾信號具有固定周期，在數據傳輸過程中用固定的時間間隔來同步數字信號發送器和接收器。
時鍾信號的占空比是波形處於所占的時間比。 圖2展示了兩個具有不同占空比的波形的區別，您可以發現占空比為30%的波形處於的時間少於占空比為50%的波形。
圖2.信號的占空比是指波形處於的時間百分比。
時鍾信號用於在數據傳輸過程中同步數字信號發送器和接收器。 比如，發送器可以在時鍾信號的每個上升沿發送一個數據位，接收器可使用相同的時鍾讀取數據。 在這種情況下，設備的確定邊沿是上升沿（從低電平到高電平）。 對於其他設備則可能是下降沿（從高電平到低電平）。 時鍾的確定邊沿又稱為有效時鍾邊沿。 數字信號發送器在每個有效時鍾邊沿觸發新的數據發送，而接收器則在每個有效時鍾邊沿上進行采樣。 后來的設備開始同時使用時鍾的上升沿和下降沿；這種設備被稱為雙倍數據速率傳輸(DDR)設備。 事實上，數據傳輸對於有效邊沿有短暫的短延；這種延時稱為 clock-to-out time。
當接收器對數字線路上的數據進行采樣時，我們需要注意兩個時序參數，以確保接收數據的可靠性。 建立時間(ts)是指數據連續處於有效邏輯電平且接收器准備好接收輸入信號所需的時間。 保持時間(tH)是指接收器采樣后，數據發生變化前需要保持在原有狀態的時間。 建立時間和保持時間在接收器的時鍾有效邊沿附近形成了一個穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。 圖3給出了一個上升沿時鍾信號的建立時間和保持時間。 通常，數字信號會在上升軌跡的中間切換電壓；因此時間基准標志通常放置在信號邊沿的正中央。
圖3.建立時間和保持時間在接收器的時鍾有效邊沿附近形成了一個穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。
常用術語
在數字電路系統中，時序是最重要的因素之一。 數字通信的可靠性和精確度均取決於時序的質量。 然而，在實際應用中，任何事物都不是理想的。 以下是一些可以幫助您理解特定數字信號時序功能的常用術語和方法。
抖動 Jitter
抖動是指事件的理想時序與實際時序之間的偏差。 為了理解這個概念，假設您正在發送一個數字正弦波並在坐標紙上繪制其圖形。 每個正方形相當於一個時鍾脈沖；由於垂直線之間的間隔是等距的，因此最后我們可以得到一個完美的周期性時鍾信號。 在每個時鍾脈沖上，您獲取3個數據點並將各點繪制在坐標紙上。 由於它具有周期性，因此您得到一個精准的正弦波。
圖4. 周期性采樣時鍾可讓數字系統進行正確、精准的通信。
現在，我們假設垂直線之間不是等距的。 這樣會使時鍾信號的周期性不那么明顯。 當您繪制數據時，它們之間的間隔並不相同，因此看起來不正確。
圖5. 如果時鍾信號發生了抖動，將引起數字波形發生變形。
在圖5中，您可以看到時鍾信號電平的切換距離是不均勻的；這就是時鍾的抖動。 盡管上圖抖動較為誇張，但是它說明了抖動的時鍾會導致采樣在不均勻的時間間隔上觸發。 這種不均勻導致要記錄和復制的波形發生變形。
現在看看只有1和只有0的數字信號的抖動。 請記住，抖動是指事件的理想時序與真實時序之間的偏差。 請注意單脈沖，抖動是指實際信號邊沿時序與理想時序位置的偏差。
圖6.單脈沖抖動是邊沿定時的偏差
抖動通常從基准信號的過零點處測量。 它通常來自於串擾、同步轉換輸出和其他定期發生的干擾信號。 抖動會隨着時間而發生改變，因此抖動的測量和量化可以是在秒級抖動范圍內通過示波器進行目視估算，也可以是按統計學方法進行測量，比如標准差隨時間的變化。
漂移 Drift
另一個常見的時序問題是漂移。 當發送器的時鍾周期與接收器的周期稍有不同時便會發生時鍾漂移。 起初，這種漂移影響不大。 然而，隨着時間的推移，這兩種時鍾信號之間的差別可能會變得顯著，並導致同步失敗或其他問題。
上升時間、下降時間和畸變 Rise Time, Fall Time, and Aberrations
從理論上講，即使存在漂移，數字信號電平從0變化到1也只是瞬間發生。 然而，在實際中，信號從高電平變到低電平需要一定的時間。 上升時間(trise)是指信號從低電平變化到高電平，也就是從電壓的20%上升到80%所需要的時間。 下降時間(tfall) 是指信號從低電平變化到高電平，也就是從電壓的80%下降到20%所需要的時間。
圖7.上升時間和下降時間指示了信號在低電平和高電平之間轉換所需的時間。
此外，在真實情況下，信號幾乎不會達到電壓電平並穩定地保持在該電平上。 當信號在邊沿之后超過電壓電平時，峰值失真被稱為過沖（overshoot）。 如果信號在邊沿之前超過了電壓電平時，峰值失真被稱為前沖（preshoot）。 在邊沿之間，如果信號漂移低於電壓電平時，則稱為下沖（undershoot）。
圖8.過沖、前沖和下沖統稱為偏差。
過沖、前沖和下沖統稱為偏差。 偏差的發生可能是由於電路板布局問題、不適當的端接或者半導體設備本身的質量問題。
穩定時間 Settling Time
當數字信號到達電壓電平后，電壓會小幅反彈並穩定到一個常數值。 穩定時間(ts)是指放大器、繼電器或者其他電路達到穩定操作模式所需要的時間。 在進行數字信號采集的情況下，整個過程的穩定時間是指信號達到特定精確度並保持在該范圍所需要的總時間。
圖9.穩定時間是指信號達到特定精確度並保持在該范圍所需要的總時間。
遲滯 Hysteresis
遲滯是指從邏輯低電平到邏輯高電平以及從邏輯高電平到邏輯低電平的轉換之間探測到的電壓電平差。 它等於輸入低電壓減去輸入高電壓。
圖10.遲滯是指從邏輯低電平到邏輯高電平以及從邏輯高電平到邏輯低電平的轉換之間探測到的電壓電平差。
遲滯是一個有用的數字儀器屬性，因為它可以幫助數字系統過濾掉一些高頻率的噪聲。 這些噪聲的產生通常是由於邏輯電平轉換時的高邊沿速率反射，如果某個電壓閾值在邏輯狀態下發生改變，那么這些噪聲就會導致數字設備產生錯誤的電平轉換探測。 圖11展示了這一現象。第一個樣本作為邏輯低電平被捕獲。 第二個樣本仍然是邏輯低電平，因為信號還沒有達到高電平閾值。 第三個和第四個樣本是邏輯高電平，第五個是邏輯低電平。
圖11. 遲滯可以過濾掉數字系統中部分高頻噪聲。
對於具有恆定電壓閾值的設備，系統的抗噪容量(NIM)和遲滯由用戶選擇的系統組件決定。 系統NIM和遲滯都會讓系統具有一定的抗噪水平，但是對於特定的邏輯系列，在這兩者之間總是存在一定的取舍—遲滯越多，NIM就越小，反之亦然。 在確定如何設置電壓閾值時，您需要仔細檢查系統的信號質量，並依此決定您是需要提高高電平和低電平（更大的NIM）時的抗噪性還是需要提轉換（更多的遲滯）時的抗噪性。
偏斜 Skew
偏斜是時鍾信號在不同時間到達不同部分。 與漂移不同的是，時鍾信號具有相同的周期；只不過它們到達的時間不相同。 達到時間的不同可能由很多因素引起，這些因素包括導線長度、溫度變化以及輸入電容的不同。 通道間偏斜通常指設備上所有數據通道的偏斜。 每次采集樣本時，每個數據通道采樣的時間點和其他數據通道的采樣時間點各不相同，但是每次時間差都會處在一個很小的窗口時間范圍內，這個窗口時間范圍稱為通道間偏斜。
圖12. 通道間偏斜通常指設備上所有數據通道的偏斜。
眼圖 Eye Diagram
眼圖是一種時序分析工具，可以幫助您直觀地查看時序錯誤和電平錯誤。 在現實生活中類似於抖動這樣的誤差很難量化，因為它經常變化，而且變化量很小。 因此，眼圖可以精確發現最大抖動，同樣也可以發現測量偏差、上升時間、下降時間以及其他誤差等。 隨着誤差的增大，眼圖中心的白色區域逐漸減小。
眼圖通過對數字信號的不同部分進行覆蓋掃描得到。 它應包含每種可能的位序列，包括簡單的高到低轉變以及經過長時間一致性運行后的隔離轉變。 當重疊發生時，眼圖看起來像個眼睛。 眼圖是理解設計信號完整性的一種可視化方法。 請記住，眼圖給出了信號的參數信息，但是它不能探測邏輯問題或協議錯誤，比如當設備需要發送高電平但卻發送出低電平。
圖13展示了眼圖的常用術語。
- 高電平，又稱為1電平，是邏輯高電平的主值。 邏輯高電平的計算值等於眼圖周期20%處所捕獲到的所有數據樣本的平均值。
- 低電平，又稱為0電平，是邏輯低電平的主值。 這一電平的計算與高電平計算取相同區域。
- 眼圖的振幅是指高電平與低電平之間的差值。
- 位周期又稱為單位間隔（UI），它通過測量眼圖中眼睛圖交叉點的水平間距得到。 它是數據速率的倒數。 在生成眼圖時，用單位間隔取代時間作為橫軸坐標，就可以很容易地比較不同數據速率的眼圖。
- 眼高是指眼圖的豎直開口。 理論上來講，其值應該等於振幅，但是由於有噪聲的存在，現實中這種理想情況幾乎不會發生。 同樣地，在系統中噪聲越大眼高就越小。 眼高反應了信號的信噪比。
- 眼寬是指眼圖的水平開口。它通過計算眼圖交叉點統計平均值之間的差得到。
- 眼圖交叉百分比是指占空比扭曲或脈沖對稱問題。 理想信號的眼圖交叉百分比是50%；當百分比發生偏離，眼圖會閉上，則表明信號完整度降低。
圖13. 圖中顯示了眼圖的高電平（A）、低電平（B）、振幅（C）、位周期（D）、眼高（E）、眼寬（F）以及交叉百分比（G）。
圖14給出了實際眼圖的其他測量值。
- 圖中的上升時間是所有上升時間的平均值。 斜率指對定時誤差的敏感度，其值越小越好。
- 圖中的下降時間是所有下降時間的平均值。 斜率指對定時誤差的敏感度，其值越小越好。
- 邏輯高電平的值寬是指信號的失真總量（由信噪比決定）。
- 采樣點的信噪比是指從眼寬到底部的距離或者到邏輯高電壓的距離。
- 信號的抖動。
- 當信噪比達到最佳值時眼圖的開口達到最大，此時是采樣的最佳時間。
圖14.圖中顯示了眼圖的上升時間（A）、下降時間（B）、失真（C）、信噪比（D）、抖動（E）、采樣最佳時間（F）。
總結
- 使用數字波形作為時鍾信號，時鍾信號具有固定周期，在數據傳輸過程中同步數字信號發送器和接收器。
- 時鍾信號的占空比是波形周期的百分比，也就是波形處於邏輯高電平所占的時間比。
- 時鍾的確定邊沿又稱為有效時鍾邊沿。
- 建立時間和保持時間在接收器的時鍾有效邊沿附近形成了一個穩定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數據。
- 抖動是指事件的理論時間和實際時間之間的偏差；它會引起信號的失真。
- 當發送器的時鍾周期與接收器的周期稍有不同時便會發生時鍾漂移，它將會導致同步失敗和其他錯誤。
- 上升時間和下降時間指示了信號在低電平和高電平之間轉換所需的時間。
- 過沖、前沖和下沖統稱為偏差，是系統出現錯誤的指示。
- 穩定時間是指信號達到一定的精度並保持在這個精度范圍內所經歷的時間。
- 遲滯可以過濾掉數字系統中的部分高頻噪聲。
- 偏斜會導致時鍾信號在不同時間到達不同分量。
- 眼圖是一種定時分析工具，可以幫助您直觀地查看定時錯誤和電平錯誤。