信號完整性基礎 ▏眼圖（Eye Diagram）

2017-05-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

眼圖(Eye Diagram)可以顯示出數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量,經(jīng)常用于需要對電子設備、芯片中串行數(shù)字信號或者高速數(shù)字信號進行測試及驗證的場合,歸根結(jié)底是對數(shù)字信號質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測手段。消費電子中,芯片內(nèi)部、芯片與芯片之間經(jīng)常用到高速的信號傳輸,如果對應的信號質(zhì)量不佳,將導致設備的不穩(wěn)定、功能執(zhí)行錯誤,甚至故障。眼圖反映的是數(shù)字信號受物理器件、信道的影響,工程師可以通過眼圖,迅速得到待測產(chǎn)品中信號的實測參數(shù),并且可以預判在現(xiàn)場可能發(fā)生的問題。

1.眼圖的形成

對于數(shù)字信號,其高電平與低電平的變化可以有多種序列組合。以3個bit為例,可以有000-111共8中組合,在時域上將足夠多的上述序列按某一個基準點對齊,然后將其波形疊加起來,就形成了眼圖。如圖1。對于測試儀器而言,首先從待測信號中恢復出信號的時鐘信號,然后按照時鐘基準來疊加出眼圖,最終予以顯示。

圖1. 眼圖的形成

2.眼圖中包含的信息

對于一幅真實的眼圖,如圖2,首先我們可以看出數(shù)字波形的平均上升時間(Rise Time)、下降時間(Fall Time)、上沖(Overshoot)、下沖(Undershoot)、門限電平(Threshold/Crossing Percent)等基本的電平變換的參數(shù)。

圖2. 電平變換參數(shù)

信號不可能每次高低電平的電壓值都保持完全一致,也不能保證每次高低電平的上升沿、下降沿都在同一時刻。如圖3,由于多次信號的疊加,眼圖的信號線變粗,出現(xiàn)模糊(Blur)的現(xiàn)象。所以眼圖也反映了信號的噪聲和抖動:在縱軸電壓軸上,體現(xiàn)為電壓的噪聲(Voltage Noise);在橫軸時間軸上,體現(xiàn)為時域的抖動(Jitter)。

圖3. 噪聲和抖動

由于噪聲和抖動,眼圖上的空白區(qū)域變小。如圖4,在除去抖動和噪聲的基礎上,眼圖上空白的區(qū)域在橫軸上的距離稱為眼寬(Eye Width),在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時,眼寬很好的反映了傳輸線上信號的穩(wěn)定時間;同理,眼圖上空白的區(qū)域在縱軸上的距離稱為眼高(Eye Height),在眼圖上疊加的數(shù)據(jù)足夠多時,眼高很好的反映了傳輸線上信號的噪聲容限,同時,眼圖中眼高最大的地方,即為最佳判決時刻。

圖4.眼高和眼寬

數(shù)字信號在采樣前后,需要有一定的建立時間(Setup Time)和保持時間(Hold Time),數(shù)字信號在這一段時間內(nèi)應保持穩(wěn)定,才能保證正確采樣,如圖5.1中藍色部分。而對于輸入電平的判決,需要高電平的電壓值高于輸入高電平VIH,低電平的電壓值地與輸入低電平VIL,如圖5.1中的綠色部分。所以,我們可以得知最早的采樣時刻和最晚的采樣時刻如圖5.1和5.2所示。

圖5.1采樣和判決a

圖5.2采樣和判決b

在最佳采樣時刻,采樣的誤碼率是最低的,而隨著采樣時刻向時間軸兩側(cè)的移動,誤碼率不斷增大,如圖6所示。所以工程上也經(jīng)常畫出信號采樣周期內(nèi)誤碼率的變化曲線,稱為澡盆曲線(Bathtub Curve)。

圖6. Bathtub Curve

在實際測試時,為了提高測試效率,經(jīng)常使用到的方法是Mask Testing。即根據(jù)信號傳輸?shù)男枨?在眼圖上規(guī)定一個區(qū)域(如圖7中的菱形區(qū)域),要求左右的信號全部出現(xiàn)在這個區(qū)域之外,一旦菱形區(qū)域內(nèi)有出現(xiàn)信號,則宣布測試未通過。