Semnale de tact

Când trimiteți semnale digitale, se trimite un mesaj de 0 sau 1. Cu toate acestea, pentru ca diferite dispozitive să comunice, informațiile de sincronizare trebuie să fie asociate cu biții trimiși. Formele de undă digitale sunt raportate la semnalele de tact. Vă puteți gândi la un semnal de tact ca la un conductor care oferă semnale de sincronizare tuturor părților sistemului digital, astfel încât fiecare proces poate fi declanșat la un moment precis.

Un semnal de tact este o undă dreptunghiulară cu o perioadă fixă. Perioada este măsurată de la frontul unui tact la următorul front similar al tactului; cel mai adesea se măsoară de la un front crescător la următorul. Frecvența tactului poate fi calculată prin inversarea perioadei de tact.

Figura 1. Formele de undă digitale se raportează la semnale de tact, care au o perioadă fixată
ca să sincronizeze transmițătoarele și receptoarele digitale în timpul transferului de date.

Factorul de umplere al unui semnal de tact este procentul din perioada formei de undă în care forma de undă este la un nivel logic high. Figura 2 prezintă diferența dintre două forme de undă cu diferiți factori de umplere. Puteți observa că forma de undă cu factor de umplere de 30% este la un nivel logic high pentru o perioadă mai mică decât pentru factorul de umplere de 50%.

Figura 2. Factorul de umplere al unui semnal este procentul de timp
în care forma de undă este la un nivel logic high

Semnalele de tact sunt utilizate pentru sincronizarea emițătoarelor și receptoarelor digitale în timpul transferului de date. De exemplu, transmițătorul poate folosi fiecare front în creștere a semnalului de tact pentru a trimite fiecare bit de date, iar receptorul poate folosi același tact pentru a citi datele. În acest scenariu, frontul de afirmare al dispozitivului este frontul în creștere (de la low la high). Pentru alte dispozitive, este frontul de cădere (de la high la low). Frontul de afirmare al tactului se numește și front activ de tact. Transmițătoarele digitale transmit noi eșantioane de date pe fiecare front activ de tact în timp ce receptoarele eșantionează date pe fiecare front activ de tact. Dispozitivele mai noi încep să utilizeze atât frontul în creștere, cât și cel în cădere ale tactului; acestea se numesc dispozitive cu rată dublă de dată (DDR). În realitate, datele sunt transmise după o mică întârziere de la frontul de afirmare al tactului; această întârziere se numește clock-to-out time.

Atunci când un receptor eșantionează datele pe liniile digitale, există doi parametri de sincronizare pentru a cunoaște ordinea de a primi date în mod fiabil. Timpul de configurare (ts) reprezintă timpul în care datele trebuie să fie la un nivel logic valid neîntrerupt în timp ce receptorul se autosetează pentru a primi intrarea. Timpul de așteptare (tH) specifică perioada de timp în care datele trebuie să mențină starea, înainte ca aceasta să poată fi schimbată după ce a fost eșantionată de către receptor. Împreună, timpul de configurare și timpul de așteptare setează o fereastră stabilă în jurul frontului de afirmare al tactului receptorului pentru ca receptorul să poată eșantiona datele în mod fiabil. Figura 3 prezintă timpii de configurare și de așteptare cu referire la un semnal de tact cu front în creștere. Adesea, semnalele digitale comută tensiunea la jumătatea distanței dintre liniile de alimentare; din acest motiv, markerii de referință de timp sunt poziționați la mijlocul fronturilor semnalului.

Figura 3.

Terminologia comună

În sistemele digitale, sincronizarea este unul dintre cei mai importanți factori. Fiabilitatea și acuratețea comunicațiilor digitale se bazează pe calitatea sincronizării lor. Dar, în lumea reală, nimic nu este vreodată ideal. Mai jos sunt câțiva termeni și modalități comune de a înțelege mai bine sincronizarea semnalului dvs. digital particular.

a. Jitter

Jitter este devierea de la sincronizarea ideală a unui eveniment la sincronizarea reală a evenimentului. Pentru a înțelege ce înseamnă acest lucru, imaginați-vă că trimiteți o undă sinusoidală digitală și o trasați pe hârtia unui grafic. Fiecare pătrat corespunde unui impuls de tact; deoarece liniile verticale sunt la o distanță echidistantă, ajungeți la un semnal de tact perfect periodic. La fiecare impuls de tact, primiți trei biți și trasați acel punct pe hârtia dvs. grafică. Din cauza naturii periodice, ajunge în cele din urmă ca o frumoasă undă sinusoidală.

Figura 4. Un tact de eșantionare care este periodic permite unui sistem digital să comunice corect și exact.

Acum, imaginați-vă că acele linii nu sunt la o distanță echidistantă. Acest lucru ar face ca semnalul de tact sa fie mai putin periodic. Când trasați datele dvs., nu mai sunt la aceleași intervale și, prin urmare, nu arată corect.

Figura 5. Dacă un semnal de tact are jitter, rezultă distorsionarea formei de undă digitale.

În figura 5, puteți vedea că distanța dintre tranzițiile semnalului de tact este neuniformă; acest lucru este jitter în tact. Deși figura de mai sus are o cantitate exagerată de jitter, arată cum un tact afectat de jitter poate provoca declanșarea eșantionării la intervale neuniforme. Această neuniformitate introduce distorsiuni în forma de undă pe care încercați să o înregistrați și să o reproduceți.

Acum observați jitter în termenii unui semnal digital cu doar 1 și 0. Amintiți-vă că jitter este abaterea de la sincronizarea ideală a unui eveniment la sincronizarea reală a evenimentului. Privind la un singur impuls, jitter este deviația în sincronizare a frontului de la semnalul real la pozițiile ideale în timp.

Figura 6. Jitterul unui singur impuls este deviația de la sincronizare a frontului.

Jitterul este de obicei măsurat de la trecerea prin zero a unui semnal de referință. În mod obișnuit, aceasta vine de la cross-talk, ieșirile de comutare simultană, și alte semnale de interferență care apar în mod regulat.

Jitter variază în timp, astfel încât măsurătorile și cuantificarea lui pot varia de la o estimare vizuală pe un osciloscop în gama jitter de secunde până la o măsurătoare bazată pe date statistice, cum ar fi deviația standard în timp.

b. Derivă

O altă problemă comună de sincronizare este deriva. Deriva tactului apare atunci când perioada de tact a emițătorului este puțin diferită de cea a receptorului. La început, este posibil să nu fie luată în calcul. Cu toate acestea, în timp, diferența dintre cele două semnale de tact poate deveni vizibilă și poate cauza pierderea sincronizării și alte erori.

c. Timpul de creștere, timpul de cădere și deviațiile

Chiar și cu deriva, teoretic, atunci când un semnal digital trece de la 0 la 1, se va întâmpla instantaneu. Dar, în realitate, este nevoie de timp pentru ca un semnal să se schimbe între nivele high și low. Timpul de creștere (trise) este timpul în care este nevoie ca un semnal să crească de la 10% la 90% din tensiunea dintre nivelul low și nivelul high. Timpul de cădere (tfall) este timpul în care este nevoie ca un semnal să scadă de la 90% la 10% din tensiunea dintre nivelul high și nivelul low.

Figura 7. Timpul de creștere și de cădere indică durata de timp a semnalului
necesară pentru schimbarea tensiunii între nivelul low și nivelul high.

În plus, în lumea reală, un semnal rar atinge un nivel de tensiune și rămâne acolo într-un mod curat. Atunci când un semnal depășește nivelul de tensiune urmărind un front, distorsiunea de vârf este numită overshoot. Dacă semnalul depășește nivelul de tensiune care precede un front, distorsiunea de vârf se numește preshoot. Între fronturi, în cazul în care semnalul se deplasează sub nivelul de tensiune, se numește undershoot.

Figura 8. Overshoot, preshoot și undershoot sunt numite colectiv deviații.

Împreună, overshoot, preshoot și undershoot sunt numite colectiv deviații. Deviațiile pot rezulta din problemele legate de aspectul plăcii, terminarea necorespunzătoare sau problemele de calitate ale dispozitivelor semiconductoare.

d. Timpul de stabilire

După ce un semnal digital a atins un nivel de tensiune, acesta oscilează puțin și apoi se stabilizează la o tensiune mai constantă. Timpul de stabilire (ts) este timpul necesar pentru ca un amplificator, un releu sau alt circuit să ajungă la un mod de funcționare stabil. În contextul achiziției de semnal digital, timpul de stabilire este perioada de timp necesară pentru ca un semnal să atingă o anumită acuratețe și să rămână în acel interval.

Figura 9. Timpul de stabilire este perioada de timp pentru ca un semnal să atingă o anumită precizie și să rămână în acel interval.

e. Histerezis

Histerezisul se referă la diferența între nivelele de tensiune dintre detectarea unei tranziții de la logic low la logic high și tranziția de la logic high la logic low. Se poate calcula prin scăderea tensiunii de intrare high din tensiunea de intrare low.

Figura 10. Histerezisul este diferența în nivelele de tensiune dintre detectarea unei tranziții de la o valoare logică la alta.

Histerezisul este o proprietate utilă pentru dispozitivele digitale, deoarece oferă în mod natural o anumită cantitate de imunitate la zgomotul de înaltă frecvență în sistemul dvs. digital. Acest zgomot, adesea cauzat de reflexiile de la ratele de front-high ale tranzițiilor de nivel logic, ar putea determina dispozitivul digital să realizeze detectări false de tranziție dacă numai o singură tensiune de prag a determinat o schimbare în starea logică. Puteți vedea acest lucru în figura 11. Primul eșantion este obținut ca un nivel logic low. Cel de-al doilea eșantion este, de asemenea, un nivel logic low, deoarece semnalul nu a depășit încă pragul de nivel high. Al treilea și al patrulea eșantion sunt nivele logice high, iar al cincilea este un nivel logic low.

Figura 12. Channel-to-channel skew, în general, se referă la skew în toate canalele de date de pe un dispozitiv.

g. Eye Diagram (Diagrama ochi)

Eye diagram este un instrument de analiză a sincronizării care vă oferă o vizualizare bună a erorilor de sinronizare și de nivel. În viața reală, erorile, cum ar fi jitter, sunt greu de cuantificat, deoarece se schimbă atât de des și sunt atât de mici. Prin urmare, eye diagram este un instrument excelent pentru găsirea jitter-ului maxim, precum și pentru măsurarea deviațiilor, a timpilor de creștere, a timpilor de cădere și a altor erori. Pe măsură ce aceste erori cresc, spațiul alb din centrul eye diagram scade. Eye diagram este creată prin suprapunerea verificărilor de diferite segmente ale unui semnal digital. Ar trebui să conțină fiecare secvență de biți posibilă, de la tranziții simple high to low până la tranziții izolate, după o lungă perioadă de consistență. Când se suprapun, arată ca un ochi. Eye diagrams sunt o modalitate vizuală de a înțelege integritatea semnalului unui design. Rețineți că o eye diagram arată informații parametrice despre un semnal, dar nu detectează probleme logice sau de protocol, cum ar fi atunci când se presupune că transmite o valoare high, dar trimite un nivel low.

Figura 13 prezintă terminologia obișnuită a unei eye diagram.

A. Nivelul high, numit și nivelul unu, este valoarea principală a unui nivel logic high. Valoarea calculată a unui nivel high provine de la valoarea medie a tuturor eșantioanelor de date captate în mijlocul a 20% din perioada ochiului.

B. Nivelul low, numit și nivelul zero, este valoarea principală a unui nivel logic low. Acest nivel este calculat în aceeași regiune cu nivelul high.

C. Amplitudinea diagramei ochi este diferența dintre nivelele high și low.

D. Perioada de biți, denumită și intervalul de unități (UI), este o măsură a deschiderii orizontale a unei diagrame ochi la punctele de trecere a ochiului. Este inversul ratei de date. Atunci când creați diagrame ochi, folosind perioada de biți pe axa orizontală în loc de timp, vă oferă posibilitatea de a compara cu ușurință diagramele cu rate diferite de date.

E. Înălțimea ochiului este deschiderea verticală a diagramei ochi. În mod ideal, aceasta ar fi egală cu amplitudinea, dar acest lucru se întâmplă rar în lumea reală din cauza zgomotului. Ca atare, cu cât înălțimea ochiului este mai mică cu atât mai mult zgomot în sistem. Înălțimea ochiului indică raportul semnal- zgomot al semnalului.

F. Lățimea ochiului este deschiderea orizontală. Se calculează ca diferența dintre media statistică a punctelor de trecere ale ochiului.

G.Procentajul de trecere a ochiului arată distorsiuni ale factorului de umplere sau probleme de simetrie a impulsului.

Un semnal ideal este de 50%; când procentul deviază, ochiul se închide și indică degradarea semnalului.

Figura 13. Imaginea arată nivelul high (A), nivelul low (B), amplitudinea (C), perioada de biți (D), înălțimea ochiului (E),
lățimea ochiului (F) și procentul de trecere a ochiului (G) pe o diagramă ochi.

Figura 14 prezintă măsurători suplimentare pe o diagramă ochi reală.

A. Timp de creștere în diagramă este media timpilor individuali de creștere. Panta indică sensibilitatea la eroarea de sincronizare; cu cât mai mici cu atât mai bine.

B. Timpul de cădere în diagramă este media timpilor individuali de cădere. Panta indică sensibilitatea la eroarea de sincronizare; cu cât mai mici cu atât mai bine.

C. Lățimea valorii logice high este valoarea distorsiunii semnalului (setată de raportul semnal-zgomot).

D. Raportul semnal-zgomot la punctul de eșantionare este de la lățimea ochiului până la partea inferioară sau în gama de tensiune logică high.

E. Jitter a semnalului.

F. Partea cea mai deschisă a ochiului este atunci când există cel mai bun raport semnal-zgomot și este, prin urmare, cel mai bun moment pentru eșantionare.

Figura 14. Imaginea indică timpul de creștere (A), timpul de cădere (B), distorsiunea (C), raportul semnal-zgomot (D),
jitter-ul (E) și cel mai bun timp pentru eșantionarea (F) pe o diagramă ochi.

Rezumat

■ Formele de undă digitale sunt raportate la semnalele de tact, care au o perioadă fixă ​​pentru a sincroniza transmițătoarele și receptoarele digitale în timpul transferului de date.

■ Factorul de umplere al unui semnal de tact este procentul perioadei formei de undă în care forma de undă este la nivelul logic high.

■ Frontul de afirmare al tactului se numește frontul activ al tactului.

■ Timpul de setare și timpul de așteptare setează o fereastră stabilă în jurul frontului de afirmare al tactului receptorului pentru ca receptorul să poată eșantiona datele în mod fiabil.

■ Jitter este deviația de la sincronizarea ideală a unui eveniment la sincronizarea reală a unui eveniment; jitter în timpul de sincronizare poate cauza distorsiuni în semnal.

■ Deriva tactului apare atunci când perioada tactului emițătorului este ușor diferită de cea a receptorului și poate duce la pierderea sincronizării și alte erori.

■ Timpul de creștere și de cădere indică durata de timp necesară semnalului pentru schimbarea tensiunii dintre nivelul low și nivelul high.

■ Overshoot, preshoot și undershoot sunt numite deviații și reprezintă o indicație a erorilor în sistem.

■ Timpul de stabilire este timpul necesar ca un semnal să atingă o anumită precizie și să rămână în acel interval.

■ Histerezisul oferă o cantitate de imunitate la zgomotul de înaltă frecvență în sistemul dvs. digital.

■ Skew este atunci când semnalul de tact ajunge la diferite componente la momente diferite.

■ O diagramă ochi este un instrument de analiză a sincronizării care vă oferă o vizualizare bună a erorilor de sincronizare și de nivel.