信号完整性基础 ▏眼图（Eye Diagram）

2017-05-17 by:CAE仿真在线来源:互联网

眼图(Eye Diagram)可以显示出数字信号的传输质量,经常用于需要对电子设备、芯片中串行数字信号或者高速数字信号进行测试及验证的场合,归根结底是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。消费电子中,芯片内部、芯片与芯片之间经常用到高速的信号传输,如果对应的信号质量不佳,将导致设备的不稳定、功能执行错误,甚至故障。眼图反映的是数字信号受物理器件、信道的影响,工程师可以通过眼图,迅速得到待测产品中信号的实测参数,并且可以预判在现场可能发生的问题。

1.眼图的形成

对于数字信号,其高电平与低电平的变化可以有多种序列组合。以3个bit为例,可以有000-111共8中组合,在时域上将足够多的上述序列按某一个基准点对齐,然后将其波形叠加起来,就形成了眼图。如图1。对于测试仪器而言,首先从待测信号中恢复出信号的时钟信号,然后按照时钟基准来叠加出眼图,最终予以显示。

图1. 眼图的形成

2.眼图中包含的信息

对于一幅真实的眼图,如图2,首先我们可以看出数字波形的平均上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)、上冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、门限电平(Threshold/Crossing Percent)等基本的电平变换的参数。

图2. 电平变换参数

信号不可能每次高低电平的电压值都保持完全一致,也不能保证每次高低电平的上升沿、下降沿都在同一时刻。如图3,由于多次信号的叠加,眼图的信号线变粗,出现模糊(Blur)的现象。所以眼图也反映了信号的噪声和抖动:在纵轴电压轴上,体现为电压的噪声(Voltage Noise);在横轴时间轴上,体现为时域的抖动(Jitter)。

图3. 噪声和抖动

由于噪声和抖动,眼图上的空白区域变小。如图4,在除去抖动和噪声的基础上,眼图上空白的区域在横轴上的距离称为眼宽(Eye Width),在眼图上叠加的数据足够多时,眼宽很好的反映了传输线上信号的稳定时间;同理,眼图上空白的区域在纵轴上的距离称为眼高(Eye Height),在眼图上叠加的数据足够多时,眼高很好的反映了传输线上信号的噪声容限,同时,眼图中眼高最大的地方,即为最佳判决时刻。

图4.眼高和眼宽

数字信号在采样前后,需要有一定的建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time),数字信号在这一段时间内应保持稳定,才能保证正确采样,如图5.1中蓝色部分。而对于输入电平的判决,需要高电平的电压值高于输入高电平VIH,低电平的电压值地与输入低电平VIL,如图5.1中的绿色部分。所以,我们可以得知最早的采样时刻和最晚的采样时刻如图5.1和5.2所示。