數位​計時:​時脈​訊號、​抖動、​眼​圖 (Eye Diagram) 概念​詳解

綜覽

本​技術​文件​將​探討​時脈​訊號 (Clock Signal) 的​時序​判定​和​常見​術語,​如​抖動 (Jitter),​漂移 (Drift),​眼​圖 (Eye Diagram), 上升​和​下降​時間,​建立​時間​和​滯​後​等​概念。 本​教程​是​「儀器​基礎」​系列​的​一部分。

內容

數位​訊號​與​時脈​訊號 (Clock Signal) 簡介

數位​訊號​是​離散​的​時間​訊號,​以​二進制​數來​表示。​數位​位​準​說明​那​一個​位元(01)​被​載​送。​但是,​為了​讓​不同​設備​之間​通訊,​位​準​所​指示​的​位元​應該​聯結​一些​時間​資訊。​為了​達到​這個​目的,​數位​波​型​會​參照​時脈​訊號。​基本​的​時脈​訊號​是​一個​方​波,​有​故​定​的​時間​長度,​在圖2中​標示為tP。​長度​從​時脈​的​一個​波​邊​(通常​是​上升​邊)​量​至​時脈​的​下​一個​類似​邊​(例如​下​一個​上升​邊)。​時脈​的​頻率​則是​將​時脈​長度​反轉​而​得,​也就是1/tP


1. 時脈​訊號​的​範例


​時脈​訊號​是​數位​電路​中的​一個​重要​面向,​用於​在​資料​傳輸​期間​將​數位​傳送​器​和​接收​器​同步​化。​舉例來說,​傳送​器​可以​使用圖2的​時脈​訊號​的​上升​邊​來​發送​每一​位元​的​資料,​而​接收​器​可以​使用​同樣​的​時脈​來​讀取​資料。


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數位​訊號​的​計時


Active Digital Edge

數位​傳送器在​時脈​的​「判定」​邊(assertion edge,​亦​稱為​動作​時脈​邊,active clock edge)​上​驅動​新的​資料​樣本。​對​部份​設備​而言,​判定​邊​是​上升​邊​(從​低到​高);​其它​設備​則是​下降​邊​(由​高​到​低)。​有些​比較​新的​設備​甚至​同時​使用​時脈​的​上升​邊​和​下降​邊;​這類​設備​稱為​雙倍​資料​傳輸率(Double Data Rate, DDR)設備。​事實上,​資料​是在​時脈​的​判定​邊​之後​經過​一​小段​延遲​才​傳送;​這段​延遲​時間​稱為clock-​to-​out timetCO

接收​器​在​每個​動作​時脈​邊​處​對​資料​取樣。​在圖2的​範例​中,​判定​邊​是​由​時脈​上升​邊​的​垂直​箭頭​線條​來​顯示。

保存​時間​和​建立​時間

當​接收​器​根據​接收​器​時脈​的​判定​邊,​在​數位​線路​上​對​資料​進行​取樣​時,​必須​先​仔細​分析​兩個​時間​參數,​這樣​接收​器​才能​可靠​地​取得​資料。​基本​的​原則​就是​這些​資料​線路​不能​在​取樣​時間​期間​發生​改變。

第​一個​參數​稱為​建立​時間(setup time)tSU。​建立​時間​指​的​是在​到達​接收​器​時脈​的​判定​邊​之前,​資料​訊號​必須​保持​穩定​(亦即​不能​變動)​的​時間​量。​第二​個​參數​是​保存​時間(hold time),​簡寫為tH。​保存​時間​是​資料​訊號​在​到達​接收​器​時脈​的​判定​邊​之後,​資料​訊號​必須​保持​穩定​的​時間​量。​二者​一起,​建立​時間​和​保存​時間​正好​需要​在​接收​器​時脈​的​判定​邊​週圍​要求​一個​穩定​的​範圍(window),​接收​器​才能​可靠​地​對​資料​取樣。​如果​接收​器​的​建立​時間​和​保存​時間​不能​配合,​就​無法​可靠​地​對​資料​取樣。​更​糟​的是,​接收​器​可能​陷入​不​穩定​狀態。




2. 建立​時間​及​保存​時間

 

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時間​誤差​及​分析


​在​數位​系統​中,​時間​是​最​重要​的​因素​之一。​數位​通訊​的​可靠性​和​準確性​都是​根據​其​時間​功能​的​品質​而定。​在​真實​世界​的​數位​通訊​系統​中,​有​許多​時間​上​的​誤差,​其中​最​重要​的​兩個​是​抖動 (Jitter)、​飄移 (Drift) 和​眼​圖 (Eye Diagram)。

 


抖動 (Jitter)
抖動 (jitter) 是​指​與​事件​的​理想​時間​的​誤差,​通常​是​從​參考​訊號​的​過​零點(zero-​crossing)進行​測量。​抖動​通常​肇因​於​串音(cross-​talk)、​同時​切換​輸出,​以及​其它​週期性​發生​的​干擾​訊號。​由於​抖動​會​隨著​時間​而​變化,​因此​對​抖動​的​測量​及​量化​有​多種​進行​方式,​從​目測​幾秒鐘​內​的​抖動​範圍,​到​以​數據​進行​的​測量​(例如​根據​長時間​的​標準​誤差)。


3. 抖動​的​範例

 


飄移(Drift)
時脈​的​飄移​發生​在​傳送​器​的​時脈​長度​與​接收​器​的​時脈​長度​略有​不同​之​時。​在​多次​時脈​循環​之後,​兩個​長度​之間​的​差異​變得​很​明顯,​可能​導致​不​同步​及其​它的​誤差。​舉例來說,​假設​兩部高速​數位​I/​O​設備100 MHz進行​擷取,​儀器​上​的​真實​示波器​的​速率​與其​對應​部份​之間​會​略有​不同。​通常​時脈​準確度​是以parts per million (ppm)parts per billion (ppb)來​表示。​舉例來說,​一個​準確度25 mmp100 MHz時脈​會以100 MHz +/- 2.5 kHz的​速度​運行。​如果​兩個​數位I/O設備​以​這個​速率​和​準確度​擷取​資料​五秒鐘,​它們​就會​失去​同步,​誤差​可能​高達500 µs,​或​五個​時脈​長度。

眼圖(Eye Diagram)

眼​圖 (Eye Diagram) 是​一項​時間​分析​工具,​讓​使用者​能夠​清楚​看見​時間​和​強度​的​誤差。​檢視​數位​傳輸​器​的​輸出​三個​時間​段落,​即可​建構​出​眼​圖。​這​三個​時間​段落​是​三段​主要​系統​時脈tP,,​在圖5中​以​藍色​垂直​虛線​標示。​如果​傳輸​器​在​這段​時間​段落​內​輸出​三個​邏輯0值,​線條​看起來​可能​類似圖5中的​綠​線。圖5中的​眼​圖​是​將​所有​可能的01的​組合(0 1 1為​粉紅色,1 1 0為​黃色,0 0 1為​藍色,1 0 0為​綠色)​疊​在​一條​線​段上,​而​完成​建構。


4. 眼​圖​的​範例


眼​圖​是​一項​時間​分析​工具,​讓​使用者​能夠​清楚​看見​時間​和​強度​的​誤差。​參見圖6。​在​真實​生活​中,​諸如​抖動​之類​的​誤差​非常​難以​量化,​因為​它們​經常​改變,​而且​非常​小。​因此,​眼​圖​非常​便於​尋找​最大​抖動​以及​電壓​強度​的​誤差。​當​這些​誤差​增加​時,​眼​圖​中心​的​白色​空間​就會​縮小。​那個​空間​由​兩項​特性​所​定義:​眼寬(eye width)和​眼高(eye height)


5. 從​眼​圖​檢視​的​抖​和​電壓​雜訊

 


最後​完成​的​眼​圖​中的​白色​空間​的​寬度​就​稱為​眼​寬。​如果​眼​圖​由​數量​足夠​的​樣本​構成​(數百​萬個​三個​時間​段落​轉換),​眼​寬​就是​用以​度量​在​任何​指定​的​時間​期間​內、​資料​線​穩定​的​時間​長度​的​良好​工具。​這樣​可以​幫助​你​了解​可​允許​的​保存​時間​和​建立​時間​有​多少。

最後​完成​的​眼​圖​中的​白色​空間​的​高度​就​稱為​眼​高。​如果​眼​圖​由​數量​足夠​的​樣本​構成​(數百​萬個​三個​時間​段落​轉換),​眼​高​可以​指出​接收​器的VIHVIL必須​位於​何處,​才能​正確​地​對​資料​取樣。

數位​訊號​轉換​的​品質​越好,​眼​圖​中的​開放​白色​空間​越​大。​換句話說,​眼​寬​和​眼​高​應該​盡可能​地​大。


6. 眼​圖​的​高度​及​寬度

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數位​訊號​時間​分析​的​範例


8是​一幅​真實​的​眼​圖,​它是​高速​數位​器​(例如NI 5124 200 MS/​s digitizer)​所​取樣​的​疊​複​轉換(overlaid transitions)的​強度​圖。​線條​的​顏色​是​任​一​指定​像​素​的​疊​複​轉換​比例​的​度量。圖8的​眼​圖​包括​以下​元件:

  1. 疊​複​資料​轉換經過​接收​器的VIH 的​點。​這是​時脈​發生、​以​保證​可靠​的​資料​取樣​的​最早​時間。​如果​時脈​早於​這個​點,​資料​線​在​所需​的​建立​時間​時段​中​可能​還在​變動。​在​這個​系統​中,VIH電壓​強度​就是​限制​強度。
  2. 這個​交會​處​代表​時脈​判定​時間+時脈​保存​時間​的​有效​點。
  3. 接收​器​的​建立​時間
  4. 接收​器​的​保存​時間
  5. 低​比例​的​疊​複​轉換
  6. 極高​比例​的​轉換
  • 接收​器​時脈​的​判定​邊​是​垂直​實線
  • 接收​器​的的VIHVIL以​水平​虛線​表示


7. 眼​圖​的​真實​擷圖

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