Temporización Digital: Señales de reloj, fluctuación, histéresis y diagramas de ojo

Al enviar señales digitales, se envía un 0 o un 1. Sin embargo, para que los diferentes dispositivos se comuniquen, la información de temporización debe estar asociada con los bits enviados. Las formas de onda digitales se refieren a señales de reloj. Usted puede pensar en una señal de reloj como un conductor que proporciona señales de temporización a todas las partes de un sistema digital para que cada proceso pueda activarse en un momento preciso.

Una señal de reloj es una onda cuadrada con un período fijo. El período se mide desde el borde de un reloj hasta el siguiente borde similar del reloj; la mayoría de las veces se mide de un borde ascendente al siguiente. La frecuencia del reloj se puede calcular mediante la inversa del período del reloj.

^{Figura 1: Las formas de onda digitales están referenciadas a señales de reloj, que tienen un período fijo para sincronizar transmisores y receptores digitales durante la transferencia de datos.}

El ciclo de trabajo de una señal de reloj es el porcentaje del período de forma de onda en el que la forma de onda está en un nivel lógico alto. La Figura 2 muestra la diferencia entre dos formas de onda con diferentes ciclos de trabajo. Puede ver que la forma de onda del ciclo de trabajo del 30% está en un nivel lógico alto durante menos tiempo que el ciclo de trabajo del 50%.

^{Figura 2: El ciclo de trabajo de una señal es el porcentaje de tiempo en el que está la forma de onda en un nivel lógico alto.}

Las señales de reloj se utilizan para sincronizar transmisores y receptores digitales durante la transferencia de datos. Por ejemplo, el transmisor puede usar cada borde ascendente de la señal del reloj para enviar cada bit de datos y el receptor puede usar el mismo reloj para leer los datos. En este escenario, el borde de afirmación del dispositivo es el borde ascendente (de menor a mayor). Para otros dispositivos, es el borde descendente (de mayor a menor). El borde de afirmación del reloj también se denomina borde de reloj activo. Los transmisores digitales manejan nuevos muestreos de datos en cada borde de reloj activo, mientras que los receptores muestrean datos en cada borde de reloj activo. Los dispositivos más nuevos están comenzando a utilizar tanto el borde ascendente como el descendente del reloj; estos se denominan dispositivos de doble tasa de fecha (DDR). En realidad, los datos se transmiten después de un pequeño retraso desde el borde de afirmación del reloj; este retraso se denomina tiempo de salida.

Cuando un receptor muestrea los datos en las líneas digitales, hay dos parámetros de temporización que se deben tener en cuenta para recibir datos de manera confiable. El tiempo de configuración (ts) es la cantidad de tiempo que los datos deben estar en un nivel lógico válido ininterrumpido mientras el receptor se configura para recibir la información. El tiempo de espera (tH) especifica la cantidad de tiempo que los datos necesitan para mantener el estado antes de que puedan cambiar después de que el receptor los haya muestreado. Juntos, el tiempo de configuración y el tiempo de espera establecen una ventana estable alrededor del borde de afirmación del reloj del receptor para que el receptor muestree los datos de manera confiable. La Figura 3 muestra los tiempos de configuración y espera con referencia a una señal de reloj de borde ascendente. A menudo, las señales digitales cambian el voltaje a mitad de camino entre los rieles de suministro; por esta razón, los marcadores de referencia de tiempo se colocan en un punto medio de los bordes de la señal.

^{Figura 3: El ciclo de trabajo de una señal es el porcentaje de tiempo en el que está la forma de onda en un nivel lógico alto.}

En los sistemas digitales, la temporización es uno de los factores más importantes. La fiabilidad y precisión de las comunicaciones digitales se basan en la calidad de su temporización. Sin embargo, en el mundo real, nada es ideal. Estos son algunos términos comunes y maneras de comprender mejor la temporización de su señal digital en particular.

Fluctuación

La fluctuación es la desviación del momento ideal de un evento al momento real de un evento. Para comprender lo que esto significa, imagine que está enviando una onda sinusoidal digital y está graficando en papel cuadriculado. Cada cuadrado corresponde a un pulso de reloj; debido a que las líneas verticales son equidistantes, usted termina con una señal de reloj perfectamente periódica. En cada pulso de reloj, recibirá tres bits y trazará el punto en su papel milimétrico. Debido a la naturaleza periódica, termina como una bonita onda sinusoidal.

^{Figura 4: Un reloj de muestreo que es periódico permite que un sistema digital se comunique de manera correcta y precisa.}

Ahora, imagine que esas líneas no son equidistantes. Esto haría que la señal de su reloj sea menos periódica. Cuando usted grafica sus datos, no están en los mismos intervalos y, por lo tanto, no se ven correctos.

^{Figura 5: Si una señal de reloj tiene fluctuación, se produce una distorsión de la forma de onda digital.}

En la Figura 5, puede ver que la distancia entre las transiciones en la señal del reloj es desigual; esto es fluctuación en el reloj. Aunque la figura anterior tiene una cantidad exagerada de fluctuación, muestra cómo un reloj con fluctuación puede hacer que los muestreos se activen a intervalos desiguales. Esta irregularidad introduce distorsión en la forma de onda que usted está tratando de grabar y reproducir.

Ahora mire la fluctuación en términos de una señal digital con solo 1 y 0. Recuerde, la fluctuación es la desviación del momento ideal de un evento al momento real de un evento. Al observar un solo pulso, la fluctuación es la desviación en la temporización del borde desde la señal real hasta las posiciones ideales en el tiempo. 

^{Figura 6: La fluctuación de un solo pulso es la desviación en la temporización del borde.} 

La fluctuación generalmente se mide a partir del cruce por cero de una señal de referencia. Por lo general, proviene de interferencias, salidas de conmutación simultáneas y otras señales de interferencia que ocurren regularmente. La fluctuación varía con el tiempo, por lo que las medidas y la cuantificación de la fluctuación pueden variar desde una estimación visual en un osciloscopio en el rango de fluctuación en segundos hasta una medida basada en estadísticas como la desviación estándar a lo largo del tiempo.

Derivación

Otro problema común de temporización es la derivación. La derivación del reloj ocurre cuando el período del reloj del transmisor es ligeramente diferente al del receptor. Al principio, puede que no suponga una gran diferencia. Sin embargo, con el tiempo, la diferencia entre las dos señales de reloj puede volverse notoria y causar pérdida de sincronización y otros errores. 

Tiempo de subida, tiempo de caída y aberraciones

Incluso con la derivación, en teoría, cuando una señal digital pasa de un 0 a un 1, sucedería instantáneamente. Sin embargo, en realidad, se necesita tiempo para que una señal cambie entre niveles altos y bajos. El tiempo de subida (trise) es el tiempo que tarda una señal en subir del 20% al 80% del voltaje entre el nivel bajo y el nivel alto. El tiempo de caída (tfall) es el tiempo que tarda una señal en caer del 80% al 20% del voltaje entre el nivel bajo y el nivel alto.

^{Figura 7: El tiempo de subida y el tiempo de caída indican el tiempo que tarda una señal en cambiar el voltaje entre el nivel bajo y el nivel alto.}

Además, en el mundo real, una señal rara vez alcanza un nivel de voltaje y permanece allí de manera limpia. Cuando una señal realmente excede el nivel de voltaje después de un borde, la distorsión máxima se llama sobreimpulso. Si la señal excede el nivel de voltaje que precede a un borde, la distorsión máxima se llama pre-disparo. Entre los bordes, si la señal se desvía por debajo del nivel de voltaje, se denomina subimpulso.

^{Figura 8: El sobreimpulso, el preimpulso y el subimpulso se denominan colectivamente aberraciones.}

Juntos, el sobreimpulso, el preimpulso y el subimpulso se denominan aberraciones. Las aberraciones pueden deberse a problemas de diseño de la tarjeta, terminación incorrecta o problemas de calidad en los propios dispositivos semiconductores.

Tiempo de estabilización

Una vez que una señal digital ha alcanzado un nivel de voltaje, rebota un poco y luego se estabiliza en un voltaje más constante. El tiempo de estabilización (ts) es el tiempo necesario para que un amplificador, relé u otro circuito alcance un modo de funcionamiento estable. En el contexto de la adquisición de señales digitales, el tiempo de estabilización para el paso de escala completa es la cantidad de tiempo requerido para que una señal alcance una cierta precisión y permanezca dentro de ese rango.

^{Figura 9: El tiempo de estabilización es la cantidad de tiempo que tarda una señal en alcanzar cierta precisión y permanecer dentro de ese rango.}

Histéresis

La histéresis se refiere a la diferencia en los niveles de voltaje entre la detección de una transición de un nivel lógico bajo a un nivel lógico alto y viceversa. Se puede calcular restando el alto voltaje de entrada del voltaje bajo de entrada.

^{Figura 10: La histéresis es la diferencia en los niveles de voltaje entre la detección de una transición de un valor lógico a otro.}

La histéresis es una propiedad útil para los dispositivos digitales, porque proporciona de manera natural cierta cantidad de inmunidad al ruido de alta frecuencia en su sistema digital. Este ruido, a menudo causado por reflexiones de las altas velocidades de borde de las transiciones de nivel lógico, podría hacer que el dispositivo digital realice detecciones de transición falsas cuando solo un umbral de voltaje detecta un cambio en el estado lógico. Puede ver esto en la Figura 11. El primer muestreo se adquiere como nivel lógico bajo. El segundo muestreo también es un nivel lógico bajo porque la señal aún no ha cruzado el umbral de nivel alto. El tercer y cuarto muestreo son niveles lógicos altos y el quinto es un nivel lógico bajo.

^{Figura 11: La histéresis proporciona cierta inmunidad al ruido de alta frecuencia en su sistema digital.} 

Para dispositivos con umbrales de voltaje fijos, el margen de inmunidad al ruido (NIM) y la histéresis de su sistema están determinados por la elección de componentes del sistema que usted hizo. Tanto el NIM del sistema como la histéresis le dan a su sistema niveles de inmunidad al ruido, pero para una familia lógica específica, siempre existe una compensación entre estos dos: cuanto mayor es la histéresis, menor es el NIM y viceversa. Para determinar cómo establecer sus umbrales de voltaje, debe examinar cuidadosamente la calidad de la señal en su sistema para determinar si necesita más inmunidad al ruido de sus niveles lógicos altos y bajos (mayor NIM) o necesita más inmunidad al ruido en sus transiciones de nivel lógico (mayor histéresis).

Desviación

La desviación es cuando la señal del reloj llega a diferentes componentes en diferentes momentos. A diferencia de la derivación, las señales del reloj tienen el mismo período; simplemente llegan en diferentes momentos. Esto puede deberse a una variedad de factores, incluyendo la longitud del cable, la variación de temperatura o las diferencias en la capacitancia de entrada. La desviación entre canales generalmente se refiere a la desviación en todos los canales de datos de un dispositivo. Cuando se adquiere cada muestreo, el momento en el que se muestrea cada canal de datos con respecto a todos los demás canales de datos no es idéntico, pero la diferencia está dentro de una pequeña ventana de tiempo llamada desviación de canal a canal.

^{Figura 12: La desviación entre canales generalmente se refiere a la desviación en todos los canales de datos de un dispositivo.} 

Diagrama de ojo

Un diagrama de ojo es una herramienta de análisis de tiempo que le proporciona una buena visualización de los errores de temporización y nivel. En la vida real, los errores como la fluctuación, son difíciles de cuantificar porque cambian con mucha frecuencia y son muy pequeños. Por lo tanto, un diagrama de ojo es una herramienta excelente para encontrar la fluctuación máxima, así como para medir aberraciones, tiempos de subida, tiempos de caída y otros errores. A medida que estos errores aumentan, disminuye el espacio en blanco en el centro del diagrama de ojo.

Un diagrama de ojo se crea superponiendo barridos de diferentes segmentos de una señal digital. Debe contener todas las secuencias de bits posibles, desde transiciones simples de alta a baja hasta, hasta transiciones aisladas después de largas series de consistencia. Cuando se superpone, parece un ojo. Los diagramas de ojo son una forma visual de comprender la integridad de la señal de un diseño. Tenga en cuenta que un diagrama de ojo muestra información paramétrica sobre una señal, pero no detecta problemas de lógica o protocolo, como cuando se supone que transmite un nivel alto pero envía un nivel bajo.

La Figura 13 muestra la terminología común de un diagrama de ojo.

A. El nivel alto, también llamado nivel único, es el valor principal de un nivel lógico alto. El valor calculado de un nivel alto proviene del valor promedio de todas los muestreos de datos capturados dentro del 20% del período visual.

B. El nivel bajo, también llamado nivel cero, es el valor principal de un nivel bajo lógico. Este nivel se calcula en la misma región que el nivel alto.

C. La amplitud del diagrama de ojo es la diferencia entre los niveles alto y bajo.

D. El período de bits, también conocido como intervalo unitario (UI), es una medida de la apertura horizontal de un diagrama de ojo en los puntos de cruce del ojo. Es la inversa de la velocidad de datos. Al crear diagramas de ojo, el uso del período de bits en el eje horizontal en lugar del tiempo le brinda la capacidad de comparar fácilmente diagramas con diferentes velocidades de datos.

E. La altura del ojo es la apertura vertical de un diagrama de ojo. Idealmente, esto sería igual a la amplitud, pero esto rara vez ocurre en el mundo real debido al ruido. Como tal, la altura del ojo es menor cuanto más ruido hay en el sistema. La altura del ojo indica la relación señal-ruido de la señal.

F. El ancho del ojo es la abertura horizontal. Se calcula como la diferencia entre la media estadística de los puntos de cruce del ojo.

G. El porcentaje de cruce de ojos muestra distorsión del ciclo de trabajo o problemas de simetría de pulso. Una señal ideal es del 50%; a medida que el porcentaje se desvía, el ojo se cierra e indica degradación de la señal.

^{Figura 13: La imagen muestra el nivel alto (A), el nivel bajo (B), la amplitud (C), el período de bits (D), la altura del ojo (E), el ancho del ojo (F) y el porcentaje de cruce de ojos (G) en un diagrama de ojo .}

La Figura 14 muestra medidas adicionales en un diagrama de ojo real.

A. El tiempo de subida en el diagrama es la media de los tiempos de subida individuales. La pendiente indica sensibilidad al error de temporización; cuanto más pequeño mejor.

B. El tiempo de caída en el diagrama es la media de los tiempos de caída individuales. La pendiente indica sensibilidad al error de temporización; cuanto más pequeño mejor.

C. El ancho del valor alto lógico es la cantidad de distorsión en la señal (establecido por la relación señal/ruido).

D. La relación señal-ruido en el punto de muestreo es desde el ancho del ojo hasta la parte inferior o el rango lógico de alto voltaje.

E. Fluctuación de la señal.

F. La parte más abierta del ojo es cuando hay la mejor relación señal-ruido y, por lo tanto, es el mejor momento para muestrear.

^{Figura 14: La imagen muestra el tiempo de subida (A), tiempo de caída (B), distorsión (C), relación señal-ruido (D), fluctuación (E) y el mejor momento para muestrear (F) en un diagrama de ojo.}

• Las formas de onda digitales se refieren a señales de reloj, que tienen un período fijo para sincronizar transmisores y receptores digitales durante la transferencia de datos.
• El ciclo de trabajo de una señal de reloj es el porcentaje del período de forma de onda en el que la forma de onda está en un nivel lógico alto.
• El borde de afirmación del reloj se denomina borde de reloj activo.
• El tiempo de configuración y el tiempo de espera establecen una ventana estable alrededor del borde de afirmación del reloj del receptor para que el receptor muestree los datos de manera confiable.
• La fluctuación es la desviación del momento ideal de un evento al momento real de un evento; la fluctuación en el tiempo puede causar distorsión en la señal.
• La derivación del reloj ocurre cuando el período del reloj del transmisor es ligeramente diferente al del receptor y puede causar pérdida de sincronización y otros errores.
• El tiempo de subida y el tiempo de caída indican el tiempo que tarda una señal en cambiar el voltaje entre el nivel bajo y el nivel alto.
• El sobreimpulso, el preimpulso y el subimpulso se denominan aberraciones y son una indicación de errores en el sistema.
• El tiempo de estabilización es la cantidad de tiempo que tarda una señal en alcanzar cierta precisión y permanecer dentro de ese rango.
• La histéresis proporciona cierta inmunidad al ruido de alta frecuencia en su sistema digital.
• La desviación es cuando la señal del reloj llega a diferentes componentes en diferentes momentos.
• Un diagrama de ojo es una herramienta de análisis de temporización que le proporciona una buena visualización de los errores de tiempo y nivel.

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