Cadencement numérique : signaux d’horloge, jitter, hystérésis et diagrammes de l’œil

Lors de l’envoi de signaux numériques, un 0 ou un 1 est envoyé. Cependant, afin que différents périphériques puissent communiquer, les informations de cadencement doivent être associées aux bits envoyés. Les waveforms numériques sont référencées à des signaux d’horloge. Vous pouvez considérer un signal d’horloge comme un conducteur qui fournit des signaux de cadencement à toutes les parties d’un système numérique afin que chaque processus puisse être déclenché à un moment précis.

Un signal d’horloge est un signal carré à période fixe. La période est mesurée du front d’une horloge au front similaire suivant de l’horloge ; le plus souvent, elle est mesurée d’un front montant au suivant. La fréquence d’horloge peut être calculée grâce à l’inverse de la période d’horloge.

^{Figure 1 : Les waveforms numériques sont référencées à des signaux d’horloge, qui disposent d’une période fixe pour synchroniser les émetteurs et les récepteurs numériques pendant le transfert de données.}

Le rapport cyclique d’un signal d’horloge correspond au pourcentage de la période de waveform pendant laquelle la waveform est à un niveau logique haut. La Figure 2 montre la différence entre deux waveforms avec des rapports cycliques différents. Vous pouvez observer que la waveform avec un rapport cyclique de 30 % est à un niveau logique haut pendant moins de temps que celle avec le rapport cyclique de 50 %.

^{Figure 2 : Le rapport cyclique d’un signal fait référence au pourcentage de temps pendant lequel la waveform est à un niveau logique haut.}

Les signaux d’horloge sont utilisés pour synchroniser les émetteurs et les récepteurs numériques pendant le transfert de données. Par exemple, l’émetteur peut utiliser chaque front montant du signal d’horloge pour envoyer chaque bit de données. Le récepteur peut ensuite utiliser la même horloge pour lire les données. Dans ce scénario, le front d’activation du périphérique est le front montant (bas vers haut). Pour les autres périphériques, il s’agit du front descendant (haut vers bas). Le front d’activation de l’horloge est aussi appelé front d’horloge actif. Les émetteurs numériques orientent de nouveaux échantillons de données vers chaque front d’horloge actif, tandis que les récepteurs échantillonnent les données sur ceux-ci. Les périphériques plus récents commencent à utiliser à la fois le front montant et le front descendant de l’horloge. Ils sont appelés périphériques DDR (Double Date Rate). En réalité, les données sont transmises après un petit délai à partir du front d’activation de l’horloge. Ce délai est appelé temps d’horloge en sortie.

Lorsqu’un récepteur échantillonne les données sur les lignes numériques, il faut tenir compte de deux paramètres de cadencement pour recevoir des données de manière fiable. Le temps de configuration (ts) est la durée pendant laquelle les données doivent être à un niveau logique valide sans interruption pendant que le récepteur se configure pour recevoir l’entrée. Le temps de maintien (tH) spécifie la durée nécessaire aux données pour maintenir l’état avant qu’elles ne puissent changer après avoir été échantillonnées par le récepteur. Combinés, le temps de configuration et le temps de maintien établissent une fenêtre stable autour du front d’activation de l’horloge du récepteur, afin que le récepteur échantillonne les données de manière fiable. La Figure 3 présente les temps de configuration et de maintien en ce qui concerne un signal d’horloge avec front montant. Souvent, les signaux numériques commutent la tension à mi-chemin entre les rails d’alimentation. Pour cette raison, les marqueurs de référence de temps sont positionnés au milieu des fronts du signal.

^{Figure 3 : Le rapport cyclique d’un signal fait référence au pourcentage de temps pendant lequel la waveform est à un niveau logique haut.}

Dans les systèmes numériques, le cadencement est l’un des facteurs les plus importants. La fiabilité et l’exactitude des communications numériques sont basées sur la qualité de leur cadencement. Cependant, dans le monde réel, rien n’est jamais parfait. Vous trouverez ci-dessous des termes courants et des moyens de mieux comprendre le cadencement de votre signal numérique spécifique.

Jitter

Le jitter correspond à l’écart entre le cadencement idéal d’un événement et le cadencement réel de celui-ci. Pour comprendre ce que cela signifie, imaginez que vous envoyez un signal sinusoïdal numérique et que vous le tracez sur du papier millimétré. Chaque carré correspond à une impulsion d’horloge. Étant donné que les lignes verticales sont équidistantes, vous obtenez un signal d’horloge parfaitement périodique. À chaque impulsion d’horloge, vous recevez trois bits et tracez ce point sur votre papier millimétré. En raison de leur nature périodique, cela finit par former une belle onde sinusoïdale.

^{Figure 4 : Une horloge d’échantillonnage périodique permet à un système numérique de communiquer correctement et avec exactitude.}

Maintenant, imaginez que ces lignes ne sont pas équidistantes. Cela affecterait la périodicité de votre signal d’horloge. Lorsque vous tracez vos données, elles ne sont pas indiquées aux mêmes intervalles et, par conséquent, ne semblent pas correctes.

^{Figure 5 : Si un signal d’horloge présente du jitter, la waveform numérique est déformée.} 

Dans la Figure 5, vous pouvez constater que la distance entre les transitions dans le signal d’horloge est irrégulière : il s’agit de jitter dans l’horloge. Bien que la figure ci-dessus présente une quantité exagérée de jitter, elle illustre la manière dont une horloge avec du jitter peut provoquer le déclenchement d’échantillons à des intervalles irréguliers. Cette irrégularité introduit une distorsion dans le signal que vous essayez d’enregistrer et de reproduire.

Maintenant, observez le jitter en termes de signal numérique comportant uniquement des 1 et des 0. N’oubliez pas que le jitter correspond à l’écart entre le cadencement idéal d’un événement et le cadencement réel de celui-ci. En observant une seule impulsion, le jitter est la déviation du cadencement du front entre le signal réel et les positions idéales dans le temps. 

^{Figure 6 : Le jitter d’une impulsion unique correspond à la déviation du cadencement du front.} 

En général, le jitter est mesuré à partir du passage par zéro d’un signal de référence. Il provient généralement des interférences, des sorties de commutation simultanée et d’autres signaux d’interférence se produisant régulièrement. Le jitter varie avec le temps, de sorte que les mesures et la quantification du jitter peuvent prendre la forme d’une estimation visuelle sur un oscilloscope dans la plage de jitter en secondes ou d’une mesure basée sur des statistiques telles que l’écart-type au fil du temps.

Dérive

La dérive est un autre problème courant en ce qui concerne le cadencement. La dérive d’horloge se produit lorsque la période d’horloge de l’émetteur est légèrement différente de celle du récepteur. Au premier abord, cela ne change peut-être pas grand-chose. Cependant, avec le temps, la différence entre les deux signaux d’horloge peut devenir perceptible et provoquer une perte de synchronisation et d’autres erreurs. 

Temps de montée, temps de descente et aberrations

Même avec une dérive, en théorie, le passage d’un signal numérique de 0 à 1 se produit instantanément. Cependant, en réalité, il faut du temps pour qu’un signal passe d’un niveau haut à un niveau bas. Le temps de montée (trise) fait référence au temps nécessaire à un signal pour passer de 20 % à 80 % de la tension entre le niveau bas et le niveau haut. Le temps de descente (tfall) correspond au temps nécessaire à un signal pour passer de 80 % à 20 % de la tension entre le niveau bas et le niveau haut.

^{Figure 7 : Le temps de montée et le temps de descente indiquent la durée nécessaire à un signal pour changer de tension entre les niveaux bas et haut.}

De plus, dans le monde réel, un signal atteint rarement un niveau de tension et y reste sans variations. Lorsqu’un signal dépasse le niveau de tension après un front, la distorsion principale est appelée overshoot. Si le signal dépasse le niveau de tension précédant un front, la distorsion principale est appelée preshoot. Entre les fronts, si le signal dérive en deçà du niveau de tension, on parle d’undershoot.

^{Figure 8 : Overshoot, preshoot et undershoot sont collectivement appelés des aberrations.}

Collectivement, overshoot, preshoot et undershoot sont appelés des aberrations. Les aberrations peuvent résulter de problèmes de disposition de carte, de terminaisons incorrectes ou de problèmes de qualité dans les périphériques à semi-conducteurs eux-mêmes.

Temps de stabilisation

Une fois qu’un signal numérique a atteint un niveau de tension, il rebondit légèrement puis se stabilise à une tension plus constante. Le temps de configuration (ts) fait référence au temps nécessaire pour qu’un amplificateur, un relais ou un autre circuit atteigne un mode de fonctionnement stable. Dans le contexte de l’acquisition de signaux numériques, le temps de configuration pour la pleine échelle correspond au temps nécessaire pour qu’un signal atteigne une certaine exactitude et reste dans cette plage.

^{Figure 9 : Le temps de configuration fait référence à la durée pendant laquelle un signal atteint une certaine exactitude et reste dans cette plage.}

Hystérésis

L’hystérésis fait référence à la différence de niveaux de tension entre la détection d’une transition d’un niveau logique bas à un niveau logique haut et vice-versa. Elle peut être calculée en soustrayant la tension d’entrée haute de la tension d’entrée basse.

^{Figure 10 : L’hystérésis est la différence de niveaux de tension entre la détection d’une transition d’une valeur logique à une autre.}

L’hystérésis est une propriété utile pour les périphériques numériques, car elle fournit naturellement une certaine immunité au bruit haute fréquence dans votre système numérique. Ce bruit, souvent causé par des réflexions provenant des fréquences de front haut des transitions de niveau logique, pourrait amener le périphérique numérique à effectuer de fausses détections de transition en cas de détermination d’un changement d’état logique par un seul seuil de tension. Vous pouvez le voir sur la Figure 11. Le premier échantillon est acquis comme un niveau logique bas. Le deuxième échantillon est aussi un niveau logique bas car le signal n’a pas encore franchi le seuil de niveau haut. Les troisième et quatrième échantillons sont des niveaux logiques hauts et le cinquième est un niveau logique bas.

^{Figure 11 : L’hystérésis fournit une certaine immunité au bruit haute fréquence dans votre système numérique.} 

Pour les périphériques à seuils de tension fixes, la marge d’immunité au bruit (NIM) et l’hystérésis de votre système sont déterminées par le choix de ses composants. La NIM et l’hystérésis du système lui confèrent des niveaux d’immunité au bruit, mais pour une famille logique spécifique, il existe toujours un compromis entre les deux : plus l’hystérésis est élevée, plus la NIM est faible, et vice versa. Pour déterminer comment définir vos seuils de tension, vous devez examiner attentivement la qualité du signal de votre système pour déterminer si vous avez besoin d’une meilleure immunité au bruit de vos niveaux logiques haut et bas (NIM plus élevée) ou si vous avez besoin d’une meilleure immunité au bruit sur vos transitions de niveau logique (hystérésis plus élevée).

Décalage

Le décalage se produit lorsque le signal d’horloge arrive dans différents composants à différents moments. Contrairement à la dérive, les signaux d’horloge présentent la même période, ils arrivent seulement à des moments différents. Cela peut être causé par divers facteurs, notamment la longueur de fil, les variations de température ou les différences de capacité d’entrée. Le décalage entre les voies fait généralement référence au décalage sur l’ensemble des voies de données d’un périphérique. Lorsque chaque échantillon est acquis, le point dans le temps auquel chaque voie de données est échantillonnée par rapport à chaque autre voie de données n’est pas identique, mais la différence se situe dans une petite fenêtre de temps appelée décalage entre les voies.

^{Figure 12 : Le décalage entre les voies fait généralement référence au décalage sur l’ensemble des voies de données d’un périphérique.} 

Diagramme de l’œil

Un diagramme de l’œil est un outil d’analyse de cadencement qui vous donne un bon aperçu des erreurs de cadencement et de niveau. Dans la vie réelle, les erreurs, comme le jitter, sont difficiles à quantifier car elles changent très régulièrement et sont de taille minime. Par conséquent, un diagramme de l’œil constitue un excellent outil pour trouver le jitter maximal, mais aussi pour mesurer les aberrations, les temps de montée, les temps de descente et d’autres erreurs. Au fur et à mesure que ces erreurs augmentent, la taille de l’espace blanc au centre du diagramme de l’œil diminue.

Un diagramme de l’œil est créé en superposant des balayages de différents segments d’un signal numérique. Il doit contenir toutes les séquences de bits possibles, des simples transitions haut vers bas aux transitions isolées après de longues exécutions de cohérence. Lorsque les signaux se chevauchent, le diagramme ressemble à un œil. Les diagrammes de l’œil constituent un moyen visuel de comprendre l’intégrité du signal d’une conception. Gardez à l’esprit qu’un diagramme de l’œil présente des informations paramétriques sur un signal, mais ne détecte pas les problèmes de logique ou de protocole, par exemple lorsqu’il est censé transmettre un niveau haut mais envoie un niveau bas.

La Figure 13 décrit la terminologie courante d’un diagramme de l’œil.

A. Niveau haut, aussi appelé niveau un, est la valeur principale d’un niveau logique haut. La valeur calculée d’un niveau haut provient de la valeur moyenne de tous les échantillons de données capturés dans les 20 pour cent du milieu de la période de l’œil.

B. Niveau bas, aussi appelé niveau zéro, est la valeur principale d’un niveau logique bas. Ce niveau est calculé dans la même région que le niveau haut.

C. L’amplitude du diagramme de l’œil correspond à la différence entre les niveaux haut et bas.

D. La période de bits, aussi appelée intervalle unitaire (IU), est une mesure de l’ouverture horizontale d’un diagramme de l’œil aux points d’intersection de l’œil. Il s’agit de l’inverse du débit de données. Lors de la création de diagrammes de l’œil, l’utilisation de la période de bits sur l’axe horizontal au lieu du temps vous permet de comparer facilement les diagrammes avec différents débits de données.

E. La hauteur de l’œil fait référence à l’ouverture verticale d’un diagramme de l’œil. Dans l’idéal, cela devrait être égal à l’amplitude. Cependant, cela se produit rarement dans le monde réel à cause du bruit. Par conséquent, plus le système est bruité, plus la hauteur de l’œil est réduite. La hauteur de l’œil indique le rapport signal/bruit du signal.

F. La largeur de l’œil fait référence à l’ouverture horizontale. Elle est calculée en faisant la différence entre la moyenne statistique des points d’intersection de l’œil.

G. Le pourcentage d’intersection de l’œil indique des problèmes de distorsion du rapport cyclique ou de symétrie des impulsions. Un signal idéal est de 50 pour cent. Lorsque le pourcentage dérive, l’œil se ferme, ce qui indique une dégradation du signal.

^{Figure 13 : L’image montre le niveau haut (A), le niveau bas (B), l’amplitude (C), la période de bits (D), la hauteur de l’œil (E), la largeur de l’œil (F) et le pourcentage d’intersection de l’œil (G) sur un diagramme de l’œil.}

La Figure 14 présente des mesures supplémentaires sur un diagramme de l’œil réel.

A. Le temps de montée dans le diagramme correspond à la moyenne des temps de montée individuels. La pente indique la sensibilité à l’erreur de cadencement. Plus la valeur est petite, mieux c’est.

B. Le temps de descente dans le diagramme correspond à la moyenne des temps de descente individuels. La pente indique la sensibilité à l’erreur de cadencement. Plus la valeur est petite, mieux c’est.

C. La largeur de la valeur logique haute représente la quantité de distorsion dans le signal (définie par le rapport signal/bruit).

D. Le rapport signal/bruit au point d’échantillonnage va de la largeur de l’œil vers la plage de tension logique haute ou basse.

E. Jitter du signal.

F. La partie la plus ouverte de l’œil est celle qui présente le meilleur rapport signal/bruit. Il s’agit donc du meilleur moment pour l’échantillonnage.

^{Figure 14 : L’image montre le temps de montée (A), le temps de descente (B), la distorsion (C), le rapport signal/bruit (D), le jitter (E) et le meilleur temps pour l’échantillonnage (F) sur un diagramme de l’œil.}

• Les waveforms numériques sont référencées avec des signaux d’horloge, qui disposent d’une période fixe pour synchroniser les émetteurs et les récepteurs numériques pendant le transfert de données.
• Le rapport cyclique d’un signal d’horloge correspond au pourcentage de la période de waveform pendant laquelle la waveform est au niveau logique haut.
• Le front d’activation de l’horloge est également appelé front d’horloge actif.
• Le temps de configuration et le temps de maintien établissent une fenêtre stable autour du front d’activation de l’horloge du récepteur afin que le récepteur échantillonne les données de manière fiable.
• Le jitter fait référence à l’écart entre le cadencement idéal d’un événement et le cadencement réel de celui-ci. La présence de jitter dans le cadencement peut provoquer une distorsion du signal.
• La dérive d’horloge se produit lorsque la période d’horloge de l’émetteur est légèrement différente de celle du récepteur. Cela peut provoquer une perte de synchronisation et d’autres erreurs.
• Le temps de montée et le temps de descente indiquent la durée nécessaire à un signal pour changer de tension entre les niveaux bas et haut.
• L’overshoot, le preshoot et l’undershoot sont appelés des aberrations et indiquent des erreurs dans le système.
• Le temps de configuration fait référence à la durée pendant laquelle un signal atteint une certaine exactitude et reste dans cette plage.
• L’hystérésis fournit une certaine immunité au bruit haute fréquence dans votre système numérique.
• Le décalage se produit lorsque le signal d’horloge arrive dans différents composants à différents moments.
• Un diagramme de l’œil est un outil d’analyse de cadencement qui vous donne un bon aperçu des erreurs de cadencement et de niveau.

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