Digitales Timing: Taktsignale, Jitter, Hysterese und Augendiagramme

Beim Senden von Digitalsignalen wird 0 oder 1 gesendet. Damit verschiedene Geräte kommunizieren können, müssen den gesendeten Bits außerdem Timing-Informationen zugeordnet werden. Digitale Signalverläufe referenzieren auf Taktsignale. Sie können sich ein Taktsignal wie einen Leiter vorstellen, der allen Teilen eines digitalen Systems Zeitsignale zur Verfügung stellt, sodass jeder Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst werden kann.

Ein Taktsignal ist eine Rechteckschwingung mit einer festen Periode. Die Periode wird von der Flanke eines Takts bis zur nächsten ähnlichen Taktflanke gemessen; meistens wird sie von einer steigenden Flanke zur nächsten gemessen. Die Taktfrequenz kann aus dem Kehrwert der Taktperiode berechnet werden.

^{Abbildung 1: Digitale Signalverläufe werden auf Taktsignale bezogen, die eine feste Periode haben, um digitale Sender und Empfänger während des Datenaustauschs zu synchronisieren.}

Der Tastgrad eines Taktsignals ist der prozentuale Anteil der Signalverlaufsperiode, in dem sich der Signalverlauf auf einem logisch hohen Pegel befindet. Abbildung 2 zeigt den Unterschied zwischen zwei Signalverläufen mit unterschiedlichen Tastgraden. Wie Sie sehen, befindet sich das Signal mit dem Tastgrad von 30 Prozent eine kürzere Zeit auf einem logisch hohen Pegel als das Signal mit 50 Prozent.

^{Abbildung 2: Der Tastgrad eines Signals ist der Prozentsatz der Zeit, während der sich Signalverlauf auf einem logisch hohen Pegel befindet.}

Taktsignale werden verwendet, um digitale Sender und Empfänger während des Datenaustauschs zu synchronisieren. Der Sender kann beispielsweise jede steigende Flanke des Taktsignals zum Senden der einzelnen Datenbits verwenden und der Empfänger kann denselben Takt zum Lesen der Daten verwenden. In diesem Szenario ist die Assertionsflanke die steigende Flanke (Low nach High). Bei anderen Geräten ist dies die fallende Flanke (High nach Low). Die Assertionsflanke des Takts wird auch als aktive Taktflanke bezeichnet. Digitale Sender geben bei jeder aktiven Taktflanke neue Dateneinheiten an, während Empfänger bei jeder aktiven Taktflanke Daten abtasten. Neuere Geräte verwenden zunehmend sowohl die steigende als auch die fallende Flanke des Takts. Diese werden als Geräte mit doppelter Datenrate (DDR) bezeichnet. Tatsächlich werden die Daten nach einer kleinen Verzögerung ab der Assertionsflanke des Takts übertragen. Diese Verzögerung wird als Clock-to-Out-Zeit bezeichnet.

Wenn ein Empfänger die Daten auf den Datenleitungen abtastet, müssen zwei Timing-Parameter beachtet werden, damit die Daten zuverlässig empfangen werden können. Die Vorbereitungszeit (ts) ist die Zeitdauer, die die Daten ununterbrochen auf einem gültigen Logikpegel sein müssen, während sich der Empfänger für den Empfang des Eingangssignals einstellt. Die Haltezeit (tH) gibt die Zeitdauer an, die die Daten benötigen, um den Zustand zu halten, bevor sie sich ändern können, nachdem sie vom Empfänger abgetastet wurden. Zusammen bilden die Vorbereitungszeit und die Haltezeit ein stabiles Fenster um die Assertionsflanke des Empfängertakts, damit der Empfänger die Daten zuverlässig abtasten kann. Abbildung 3 zeigt die Vorbereitungs- und Haltezeiten in Bezug auf ein ansteigendes Taktsignal. Digitalsignale schalten häufig die Spannung zwischen den Versorgungsschienen um. Deshalb werden die Zeitreferenzmarken in der Mitte der Signalflanken positioniert.

^{Abbildung 3: Der Tastgrad eines Signals ist der Prozentsatz der Zeit, während der sich Signalverlauf auf einem logisch hohen Pegel befindet.}

In digitalen Systemen ist das Timing einer der wichtigsten Faktoren. Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der digitalen Kommunikation hängt von der Qualität des Timings ab. In der realen Welt ist jedoch nichts ideal. Im Folgenden finden Sie einige gebräuchliche Begriffe und Möglichkeiten, das Timing Ihres jeweiligen digitalen Signals besser zu verstehen.

Jitter

Jitter ist die Abweichung vom idealen Timing eines Ereignisses vom tatsächlichen Timing eines Ereignisses. Um zu verstehen, was dies bedeutet, stellen Sie sich vor, Sie senden eine digitale Sinusschwingung und stellen sie auf Millimeterpapier dar. Jedes Quadrat entspricht einem Taktimpuls. Da die vertikalen Linien äquidistant voneinander entfernt sind, wird ein perfekt periodischer Taktimpuls erhalten. Bei jedem Taktimpuls erhalten Sie drei Bits und tragen diesen Punkt auf Ihrem Millimeterpapier ein. Aufgrund der periodischen Natur ergibt sich eine schöne Sinusschwingung.

^{Abbildung 4: Ein periodischer Sample-Takt ermöglicht es einem digitalen System, korrekt und genau zu kommunizieren.}

Stellen Sie sich nun vor, dass diese Linien nicht äquidistant voneinander entfernt sind. Dadurch wird das Taktsignal weniger periodisch. Wenn Sie Ihre Daten grafisch darstellen, weisen sie nicht die gleichen Intervalle auf und sehen daher nicht korrekt aus.

^{Abbildung 5: Wenn ein Taktsignal Jitter aufweist, führt dies zu einer Verzerrung des digitalen Signalverlaufs.} 

In Abbildung 5 ist zu sehen, dass der Abstand zwischen den Übergängen im Taktsignal ungerade ist. Das ist Jitter im Takt. Obwohl die obige Abbildung einen übertriebenen Jitter aufweist, zeigt sie, wie ein Jitter-Takt dazu führen kann, dass Samples in ungeraden Intervallen getriggert werden. Durch diese Ungleichmäßigkeit wird der Signalverlauf, den Sie aufzeichnen und wiedergeben möchten, verzerrt.

Betrachten Sie nun Jitter in Bezug auf ein Digitalsignal mit nur 1 und 0. Denken Sie daran, dass Jitter die Abweichung vom idealen Timing eines Ereignisses vom tatsächlichen Timing eines Ereignisses ist. Bei einem einzelnen Impuls ist Jitter die zeitliche Abweichung der Flanken vom tatsächlichen Signal zu den idealen Positionen. 

^{Abbildung 6: Jitter eines einzelnen Impulses ist die Abweichung im Flanken-Timing.} 

Jitter wird normalerweise am Nulldurchgang eines Bezugssignals gemessen. Jitter entsteht normalerweise durch Übersprechen, gleichzeitig geschaltete Ausgänge und andere regelmäßig auftretende Störsignale. Jitter variiert im Lauf der Zeit, daher können Messungen und Quantifizierungen von Jitter von einer visuellen Schätzung auf einem Oszilloskop im Jitter-Bereich von Sekunden bis hin zu einer Messung basierend auf Statistiken wie der Standardabweichung im Lauf der Zeit reichen.

Drift

Ein weiteres häufiges Timing-Problem ist der Drift. Ein Taktdrift tritt auf, wenn die Taktperiode des Senders geringfügig von der des Empfängers abweicht. Auf den ersten Blick mag es nicht viel ausmachen. Im Lauf der Zeit kann jedoch der Unterschied zwischen den beiden Taktsignalen spürbar werden und zu einem Synchronisierungsverlust und anderen Fehlern führen. 

Anstiegszeit, Abfallzeit und Aberrationen

Selbst bei einem Drift würde dies theoretisch sofort passieren, wenn ein Digitalsignal von 0 auf 1 wechselt. In Wirklichkeit dauert es jedoch eine Weile, bis ein Signal zwischen High- und Low-Pegel wechselt. Die Anstiegszeit (trise) ist die Zeit, die ein Signal benötigt, um zwischen dem Low-Pegel und dem High-Pegel von 20 Prozent auf 80 Prozent der Spannung anzusteigen. Die Abfallzeit (tfall) ist die Zeit, die ein Signal benötigt, um zwischen dem Low-Pegel und dem High-Pegel von 80 Prozent auf 20 Prozent der Spannung abzufallen.

^{Abbildung 7: Anstiegszeit und Abfallzeit geben an, wie lange ein Signal braucht, um die Spannung zwischen niedrigem und hohem Pegel zu ändern.}

Darüber hinaus erreicht ein Signal in der Praxis selten einen Spannungspegel und bleibt dort rein. Wenn ein Signal nach einer Flanke tatsächlich den Spannungspegel überschreitet, wird die Spitzenverzerrung als Überschwingen bezeichnet. Wenn das Signal den Spannungspegel vor einer Flanke überschreitet, wird die Spitzenverzerrung als Vorschwingen bezeichnet. Wenn das Signal zwischen den Flanken den Spannungspegel unterschreitet, wird dies als Unterschwingen bezeichnet.

^{Abbildung 8: Überschwingen, Vorschwingen und Unterschwingen werden zusammen als Aberrationen bezeichnet.}

Überschwingen, Vorschwingen und Unterschwingen werden zusammen als Aberrationen bezeichnet. Aberrationen können durch Probleme beim Platinenlayout, unsachgemäßen Anschluss oder bei Qualitätsproblemen in den Halbleiterbauelementen selbst entstehen.

Einschwingzeit

Nachdem ein Digitalsignal einen Spannungspegel erreicht hat, springt es ein wenig zurück und pendelt sich dann auf eine konstante Spannung ein. Die Einschwingzeit (ts) ist die Zeit, die ein Verstärker, ein Relais oder eine andere Schaltung benötigt, um einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Im Zusammenhang mit der digitalen Signalerfassung ist die Einschwingzeit für den Skalenendwert die Zeit, die ein Signal benötigt, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen und innerhalb dieses Bereichs zu bleiben.

^{Abbildung 9: Die Einschwingzeit ist die Zeit, die ein Signal benötigt, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen und innerhalb dieses Bereichs zu bleiben.}

Hysterese

Die Hysterese bezieht sich auf die Differenz der Spannungspegel zwischen dem Erkennen eines Übergangs von logisch niedrig auf logisch hoch und dem Übergang von logisch hoch zu logisch niedrig. Sie kann berechnet werden, indem die hohe Eingangsspannung von der niedrigen Eingangsspannung subtrahiert wird.

^{Abbildung 10: Die Hysterese ist die Differenz der Spannungspegel zwischen dem Erkennen eines Übergangs von einem logischen Wert zu einem anderen.}

Die Hysterese ist eine nützliche Eigenschaft für Digitalgeräte, da sie natürlich eine gewisse Immunität gegen hochfrequentes Rauschen in Ihrem digitalen System bietet. Dieses Rauschen, das häufig durch Reflexionen an den hohen Flankenraten von Logikpegelübergängen verursacht wird, kann dazu führen, dass das digitale Gerät falsche Übergänge erkennt, wenn nur ein Spannungsschwellenwert eine Änderung des Logikzustands feststellt. Sie können dies in Abbildung 11 sehen. Das erste Sample wird als logisch niedriger Pegel erfasst. Das zweite Sample ist ebenfalls ein logisch niedriger Pegel, da das Signal den High-Pegel-Schwellenwert noch nicht überschritten hat. Das dritte und vierte Sample sind logische High-Pegel und das fünfte ist ein logischer Low-Pegel.

^{Abbildung 11: Die Hysterese bietet eine gewisse Immunität gegen hochfrequentes Rauschen in Ihrem digitalen System.} 

Bei Geräten mit festen Spannungsschwellenwerten werden die Störfestigkeitsspanne (NIM, Noise Immunity Margin) und die Hysterese Ihres Systems durch die Auswahl der Systemkomponenten bestimmt. Sowohl das NIM-System als auch die Hysterese verleihen Ihrem System ein gewisses Maß an Störfestigkeit, aber bei einer bestimmten Logikfamilie gibt es immer einen Kompromiss: Je größer die Hysterese, desto kleiner die NIM und umgekehrt. Zum Festlegen der Spannungsschwellenwerte sollten Sie die Signalqualität in Ihrem System sorgfältig untersuchen, um festzustellen, ob Sie eine höhere Störfestigkeit bei Ihren hohen und niedrigen Logikpegeln (NIM größer) oder bei Ihren Logikpegelübergängen (Hysterese größer) benötigen.

Laufzeitunterschiede

Von Laufzeitunterschieden spricht man, wenn das Taktsignal zu unterschiedlichen Zeiten an verschiedenen Komponenten ankommt. Im Gegensatz zum Drift haben die Taktsignale die gleiche Periode; sie kommen nur zu unterschiedlichen Zeiten an. Dies kann durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, darunter Kabellänge, Temperaturschwankungen oder Unterschiede in der Eingangskapazität. Die maximale Verzögerung zwischen Kanälen bezieht sich im Allgemeinen auf die Laufzeitunterschiede über alle Datenkanäle eines Geräts. Wenn jedes Sample erfasst wird, ist der Zeitpunkt, zu dem jeder Datenkanal in Bezug auf jeden anderen Datenkanal abgetastet wird, nicht identisch. Der Unterschied liegt jedoch innerhalb eines kleinen Zeitfensters, das als maximale Verzögerung zwischen Kanälen bezeichnet wird.

^{Abbildung 12: Die maximale Verzögerung zwischen Kanälen bezieht sich im Allgemeinen auf die Laufzeitunterschiede über alle Datenkanäle eines Geräts.}

Augendiagramm

Ein Augendiagramm ist ein Timing-Analysetool, mit dem Timing- und Pegelfehler gut visualisiert werden können. In der Praxis sind Fehler wie Jitter schwer zu quantifizieren, da sie sich oft ändern und sehr klein sind. Daher eignet sich ein Augendiagramm hervorragend zum Ermitteln des maximalen Jitters sowie zum Messen von Aberrationen, Anstiegs- und Abfallzeiten und anderen Fehlern. Wenn diese Fehler zunehmen, nehmen die nicht darstellbaren Zeichen in der Mitte des Augendiagramms ab.

Ein Augendiagramm wird durch Überlagern von Zeitablenkungen verschiedener Segmente eines Digitalsignals erstellt. Es sollte alle möglichen Bitfolgen enthalten, von einfachen High- nach Low-Übergängen bis hin zu isolierten Übergängen nach langen Konsistenzläufen. Bei Überlappung sieht es aus wie ein Auge. Augendiagramme sind eine visuelle Methode, um die Signalintegrität eines Entwurfs zu verstehen. Beachten Sie, dass ein Augendiagramm parametrische Informationen über ein Signal anzeigt, aber keine Logik- oder Protokollprobleme erkennt, z. B. wenn ein High-Signal übertragen werden soll, aber ein Low-Signal gesendet wird.

Abbildung 13 zeigt die allgemeine Terminologie eines Augendiagramms.

A. High-Pegel, auch Eins-Pegel genannt, ist der Hauptwert eines logischen High. Der berechnete Wert eines High-Pegels ergibt sich aus dem Mittelwert aller Dateneinheiten, die in den mittleren 20 Prozent der Augenperiode erfasst wurden.

B. Low-Pegel, auch Null-Pegel genannt, ist der Hauptwert eines logischen Low. Dieser Pegel wird im selben Bereich wie der High-Pegel berechnet.

C. Die Amplitude des Augendiagramms ist die Differenz zwischen dem oberen und unteren Pegel.

D. Bitperiode, auch Einheitsintervall (UI, Unit Interval) genannt, ist ein Maß für die horizontale Öffnung eines Augendiagramms an den Kreuzungspunkten des Auges. Das ist der Kehrwert der Datenrate. Wenn Sie beim Erstellen von Augendiagrammen die Bitperiode auf der horizontalen Achse anstelle der Zeit verwenden, können Sie Diagramme mit unterschiedlichen Datenraten problemlos vergleichen.

E. Die Augenhöhe ist die vertikale Öffnung eines Augendiagramms. Im Idealfall entspricht dies der Amplitude, was jedoch in der realen Welt aufgrund von Rauschen selten vorkommt. Daher ist die Augenhöhe umso kleiner, je mehr Rauschen im System vorhanden ist. Die Augenhöhe gibt das Signal-Rausch-Verhältnis des Signals an.

F. Die Augenbreite ist die horizontale Öffnung. Sie wird als Differenz zwischen dem statistischen Mittel der Kreuzungspunkte des Auges berechnet.

G. Der Prozentsatz der Augenkreuzung zeigt Tastgradverzerrung oder Pulssymmetrieprobleme an. Ein ideales Signal hat 50 Prozent. Bei einer Abweichung des Prozentsatzes schließt sich das Auge und zeigt eine Verschlechterung des Signals an.

^{Abbildung 13: Das Bild zeigt High-Pegel (A), Low-Pegel (B), Amplitude (C), Bitperiode (D), Augenhöhe (E), Augenbreite (F) und Prozentsatz der Augenkreuzung (G) in einem Augendiagramm.}

Abbildung 14 zeigt zusätzliche Messungen in einem tatsächlichen Augendiagramm.

A. Die Anstiegszeit im Diagramm ist der Mittelwert der einzelnen Anstiegszeiten. Die Steigung gibt die Empfindlichkeit gegenüber Timing-Fehlern an; je kleiner desto besser.

B. Die Abfallzeit im Diagramm ist der Mittelwert der einzelnen Abfallzeiten. Die Steigung gibt die Empfindlichkeit gegenüber Timing-Fehlern an; je kleiner desto besser.

C. Die Breite des logisch hohen Werts ist die Stärke der Signalverzerrung (bestimmt durch das Signal-Rausch-Verhältnis).

D. Das Signal-Rausch-Verhältnis am Abtastpunkt reicht von der Augenweite bis zum unteren Rand oder dem logischen Hochspannungsbereich.

E. Jitter des Signals.

F. Das Auge ist am weitesten geöffnet, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis am besten und somit der beste Zeitpunkt zum Abtasten ist.

^{Abbildung 14: Die Abbildung zeigt Anstiegszeit (A), Abfallzeit (B), Verzerrung (C), Signal-Rausch-Verhältnis (D), Jitter (E) und beste Abtastzeit (F) in einem Augendiagramm.}

• Digitale Signalverläufe werden auf Taktsignale bezogen, die eine feste Periode haben, um digitale Sender und Empfänger während des Datenaustauschs zu synchronisieren.
• Der Tastgrad eines Taktsignals ist der prozentuale Anteil der Signalverlaufsperiode, in dem sich der Signalverlauf auf einem logisch hohen Pegel befindet.
• Die Assertionsflanke des Takts wird als aktive Taktflankebezeichnet.
• Die Vorbereitungszeit und die Haltezeit bilden ein stabiles Fenster um die Assertionsflanke des Empfängertakts, damit der Empfänger die Daten zuverlässig abtasten kann.
• Jitter ist die Abweichung vom idealen Timing eines Ereignisses vom tatsächlichen Timing eines Ereignisses. Jitter im Timing kann zu Signalverzerrungen führen.
• Ein Taktdrift tritt auf, wenn die Taktperiode des Senders geringfügig von der des Empfängers abweicht. Er kann zu einem Synchronisierungsverlust und anderen Fehlern führen.
• Anstiegszeit und Abfallzeit geben an, wie lange ein Signal braucht, um die Spannung zwischen niedrigem und hohem Pegel zu ändern.
• Überschwingen, Vorschwingen und Unterschwingen werden Aberrationen genannt und sind ein Hinweis auf Fehler im System.
• Die Einschwingzeit ist die Zeit, die ein Signal benötigt, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen und innerhalb dieses Bereichs zu bleiben.
• Die Hysterese bietet eine gewisse Immunität gegen hochfrequentes Rauschen in Ihrem digitalen System.
• Von Laufzeitunterschieden spricht man, wenn das Taktsignal zu unterschiedlichen Zeiten an verschiedenen Komponenten ankommt.
• Ein Augendiagramm ist ein Timing-Analysetool, mit dem Timing- und Pegelfehler gut visualisiert werden können.

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