數位時序：時脈訊號、抖動、磁滯現象與眼圖

傳送數位訊號時，會傳送 0 或 1。不過，時序資訊要和所傳送的位元相關，不同的裝置才能進行通訊。數位波形稱為時脈訊號。時脈訊號就像是提供時序訊號給數位系統中各個部分的導體，用途是按精準的時刻觸發每一個流程。

時脈訊號是有固定週期的方波。週期是從時脈的其中一緣量測到該時脈的下一個類似的緣；最常見的情況是從上升緣量測到下一個上升緣。倒轉時脈週期即可計算出時脈頻率。

^{圖 1： 數位波形稱為時脈訊號，時脈訊號有固定週期，會在資料傳輸期間同步數位傳輸器與接收器。}

時脈訊號的工作週期是波形在邏輯高準位時的波形週期百分比。圖 2 是兩組工作週期不同之波形的差異。可以看到 30% 工作週期波形在邏輯高準位的時間，比 50% 工作週期波形短。

^{圖 2：訊號的工作週期是指波形在邏輯高位準的時間百分比。}

時脈訊號的作用是在資料傳輸期間同步數位傳輸器和接收儀。舉例來說，傳輸器可以運用時脈訊號的每一個上升緣傳送每一個位元的資料，而接收儀則可使用相同的時脈讀取資料。在這種情況下，裝置的判定緣即為上升緣 (從低到高)。其他裝置的判定緣則是下降緣 (從高到低)。時脈的判定緣又稱為動作時脈緣。數位傳輸器會在每個有效時脈緣驅動新的資料樣本，而接收儀則會在每個有效時脈緣進行資料取樣。較新穎的裝置會開始同時使用時脈的上升緣和下降緣。這類裝置稱為雙倍資料速率 (DDR) 裝置。事實上，資料是在時脈判定緣延遲一小段時間之後才開始傳輸；這段延遲時間稱為時脈輸出時間 (clock-to-out time)。

接收儀在數位線路上進行資料取樣時，必須注意兩個時序參數，才能穩定接收資料。建立時間 (ts) 是指接收儀完成輸入接收設定期間，資料必須持續保持在有效邏輯準位而不中斷的時間長短。保持時間 (tH) 則指定接收儀取樣完成後，資料發生改變之前需保持原狀的時間長短。建立時間和保持時間共同沿著接收儀時脈的判定緣建立起一個穩定的時段，讓接收儀能夠穩定進行資料取樣。圖 3 說明攸關某個上升緣時脈訊號的建立和保持時間。通常，數位訊號會在電壓軌之間中途切換電壓；因此，時間參考標記會在訊號邊緣的中點。

^{圖 3：訊號的工作週期是指波形在邏輯高位準的時間百分比。}

在數位系統中，時序是最重要的因素之一。數位通訊的穩定性與準確度取決於時序品質。不過，現實總是不盡理想。以下列舉一些常見術語，另也提供一些方法，能協助您深入了解特定數位訊號的時序。

抖動 (Jitter)

抖動是指事件理想時序與事件實際時序之間的誤差。要了解這是什麼意思，請想像您要傳送數位正弦波，並將數位正弦波繪製在方格紙上。每個方格各對應一個時脈脈衝；由於垂直線之間保持等距，因此可以得到一個完美的週期時脈訊號。每出現一次時脈脈衝，您會收到三個位元，並將該點繪製在方格紙上。由於會保持週期性，最後就能繪製出一個理想的正弦波。

^{圖 4：週期性的取樣時脈能讓數位系統準確無誤地進行通訊。}

現在，假設這些線之間的間隔並非等距。這時候，時脈訊號的週期就會變少。繪製資料時，您會發現這些資料的間隔不同，看起來自然不正確。

^{圖 5：如果時脈訊號出現抖動，就會導致數位波形失真。} 

在圖 5 中，您可以看到時脈訊號轉換之間的距離並不規則；這就是時脈抖動。雖然上圖的抖動值有些誇大，但確實能呈現時脈抖動之所以會按不規則的間隔觸發樣本的原因。這樣的不規則性會導致您所記錄及重現的波形失真。

接下來看看數位訊號只含 1 與 0 時的抖動。請注意，抖動是指理想事件時序與實際事件時序之間的誤差。以單一脈衝來說，抖動就是實際訊號到理想時間位置之間的邊緣時序誤差。 

^{圖 6：單一脈波的抖動即為邊緣時序的誤差。} 

抖動通常是從參考訊號的零交越點開始量測。抖動通常源自於串擾、同步切換輸出，以及其他規律發生的干擾訊號。抖動會隨時間變化，因此，抖動的量測與量化方式，從在抖動範圍內以秒為單位進行目測評估，到根據時間標準差之類的統計資料進行量測均可。

漂移

另一個常見的時序問題就是漂移。傳輸器的時脈週期與接收儀的時脈週期只要稍有不同，就會發生時脈漂移。起初可能不會出現太大的差異。久而久之，兩個時脈訊號之間的差異可能會變得很明顯，導致無法同步並引起其他錯誤。 

上升時間、下降時間以及像差

理論上，即使發生漂移現象，數位訊號從 0 變成 1 也只是一瞬間的事。然而，實際情況是，訊號在高準位和低準位之間切換需要時間。上升時間 (trise) 是指訊號在低準位和高準位之間切換時，電壓從 20% 上升到 80% 所需的時間。下降時間 (tfall) 則是指訊號在低準位和高準位之間切換時，電壓從 80% 下降到 20% 所需的時間。

^{圖 7：上升時間與下降時間是指訊號在低準位與高準位之間切換時，改變電壓所需的時間。}

此外，實際情況是訊號鮮少能夠達到電壓位準且乾淨利落地保持原狀。訊號出現邊緣後的實際情況若超出電壓準位，峰值失真的現象就稱為過衝 (Overshoot)。若訊號在出現邊緣之前即超出電壓準位，峰值失真的現象就稱為前衝 (Preshoot)。在兩個邊緣之間，若訊號漂移低於電壓位準，則稱為下衝 (Undershoot)。

^{圖 8：過衝、前衝與下衝合稱像差 (Aberration)。}

過衝、前衝加下衝稱為像差 (Aberration)。機板配置問題、端點不當或半導體裝置主體品質出差錯，都有可能造成像差。

趨穩時間

數位訊號達到特定電壓準位之後，會先稍微反彈，接著再恢復趨穩，保持在更穩定的電壓。趨穩時間 (ts) 是指放大器、繼電器或其他電路達到穩定作業模式所需的時間。數位訊號擷取全程的趨穩時間，是指訊號達到特定準確度並保持在該範圍內所需的時間。

^{圖 9：趨穩時間是指訊號達到特定準確度並保持在該範圍內的時間。}

磁滯

磁滯是指偵測到邏輯低轉換為邏輯高與邏輯高轉換到邏輯低之間，電壓位準的差。輸入低壓減去輸入高壓即可計算出磁滯。

^{圖 10：磁滯是指偵測到從某個邏輯值轉換到另一個邏輯值之間的電壓準位差。}

就數位裝置而言，磁滯是非常有用的屬性，因為磁滯對於數位系統中的高頻雜訊本就能夠發揮些許抗擾性。這類雜訊通常是邏輯位準轉換高邊緣率反射所致，若只由單一電壓臨界決定邏輯狀態變化，就有可能導致數位裝置進行錯誤的轉換偵測。圖 11 就是在說明這種情況。擷取到的第一個樣本是邏輯低位準。第二個樣本也是邏輯低，因為這個訊號尚未越過高準位臨界。第三和第四個樣本是邏輯高位準，第五個樣本則是邏輯低準位。

^{圖 11：磁滯對於數位系統中的高頻雜訊能夠發揮些許抗擾性。} 

裝置的電壓臨界若是固定值，系統的雜訊抗擾裕量 (Noise Immunity Margin, NIM) 與系統磁滯就取決於您所選的系統元件。系統 NIM 和磁滯可以讓系統發揮些許雜訊抗擾性，但特定邏輯族只能在兩者之間取捨：磁滯越大，NIM 越小，反之亦然。要判斷該如何設定電壓臨界，應仔細檢查系統的訊號品質，確定您需要的是提高高低邏輯位準雜訊抗擾性 (提高 NIM)，或是提高邏輯位準轉換的雜訊抗擾性 (提高磁滯)。

歪曲

歪曲是指時脈訊號在不同時間抵達不同的元件。歪曲不同於漂移，時脈訊號的週期是相同的；只是在不同的時間抵達。許多因素有可能導致這種現象，包括電線長度、溫度變化，或是輸入電容差異。通道對通道歪曲通常是指裝置的所有資料通道全數歪曲。擷取每個樣本時，每個資料通道的取樣時間點均不同於其他資料通道，但差別都不會超出一小段時間，這段時間稱為通道對通道歪曲。

^{圖 12：通道對通道歪曲通常是指裝置的所有資料通道全數歪曲。}

眼圖

眼圖是一種時序分析工具，方便您充分目測時序和準位錯誤。在實際情況中，要量化如抖動之類的錯誤並不容易，因為這類錯誤太容易變化，而且往往只是非常小的錯誤。因此，眼圖是非常適合用於尋找最大抖動的工具，也很適合用於量測像差、上升時間、下降時間，以及其他錯誤。這類錯誤越多，眼圖中心的空白區域就會越小。

將數位訊號中不同區段的掃頻重疊在一起，即可製作出眼圖。眼圖應包含每一個可能的位元序列，從簡單的高低轉換到長時間保持一致之後的獨立轉換。重疊在一起時，看起來就像一隻眼睛。眼圖能協助您目測了解設計的訊號完整性。請注意，眼圖只會顯示訊號的參數資訊，但無法偵測邏輯或協定問題，例如應傳輸高訊號卻傳送了低訊號之類的情形。

圖 13 列舉常見的眼圖術語。

A.高準位 (High Level)，又稱單一準位，是邏輯高的主要數值。高準位的計算值，就是在眼圖週期中段 20% 擷取到所有資料樣本的平均值。

B.低準位 (Low Level)，又稱零準位，是邏輯低的主要數值。這個準位的計算區域與高準位相同。

C.眼圖的振幅 (Amplitude) 就是高準位與低準位之間的差。

D.位元週期 (Bit Period)，又稱單位間隔 (UI)，是在眼交叉點處測得的眼圖水平張開度。這是資料速率的倒數。建立眼圖時，若水平軸使用位元週期而非時間，很容易就能比較資料速率不同的眼圖。

E.眼高 (Eye Height) 是眼圖中的垂直張開度。理想情況下，這個值會等於振幅，但由於雜訊的緣故，實際上鮮少發生這種情況。因此，眼高越低，系統中的雜訊就越多。眼高代表訊號的訊噪比。

F.眼寬 (Eye Width) 是水平張開度。其計算方式是取眼交叉點統計平均值的差。

G.眼交叉百分比 (Eye crossing percentage) 說明工作週期失真或脈衝對稱問題。理想的訊號是 50%；當百分比偏離時，眼就會閉合，表示訊號衰減。

^{圖 13：這張圖顯示眼圖中的高準位 (A)、低準位 (B)、振幅 (C)、位元週期 (D)、眼高 (E)、眼寬 (F)，以及眼交叉百分比 (G)。}

圖 14 顯示實際眼圖的其他量測值。

A.圖表中的上升時間是各個上升時間的平均值。斜率表示時序錯誤靈敏度；斜率越小越好。

B.圖表中的下降時間是各個下降時間的平均值。斜率表示時序錯誤靈敏度；斜率越小越好。

C.邏輯高準位的寬度即為訊號的失真量 (由訊噪比所定)。

D.取樣點的訊噪比是從眼寬到底部或邏輯高電壓範圍。

E.訊號的抖動。

F.達到最佳訊噪比時，會是眼圖張開度最大的部分，因此是最佳取樣時間。

^{圖 14：這張圖顯示眼圖中的上升時間 (A)、下降時間 (B)、失真 (C)、訊噪比 (D)、抖動 (E)，以及最佳取樣時間 (F)。}

• 數位波形稱為時脈訊號，時脈訊號有固定週期，會在資料傳輸期間同步數位傳輸器和接收儀。
• 時脈訊號的工作週期是波形在邏輯高準位時的波形週期百分比。
• 時脈的判定緣稱為動作時脈緣。
• 建立時間和保持時間共同沿著接收儀時脈的判定緣建立起一個穩定的時段，讓接收儀能夠穩定進行資料取樣。
• 抖動是指事件理想時序與事件實際時序之間的誤差；時序抖動會造成訊號失真。
• 傳輸器的時脈週期與接收儀的時脈週期只要稍有不同，就會發生時脈漂移，而且可能會導致無法同步以及其他錯誤。
• 上升時間與下降時間是指訊號在低準位與高準位之間切換時，改變電壓所需的時間。
• 過衝、前衝和下衝稱為像差，表示系統發生了錯誤。
• 趨穩時間是指訊號達到特定準確度並保持在該範圍內的時間。
• 磁滯對於數位系統中的高頻雜訊能夠發揮些許抗擾性。
• 偏移是指時脈訊號在不同時間抵達不同的元件。
• 眼圖是一種時序分析工具，方便您充分目測時序和準位錯誤。

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