数字定时： 时钟信号、抖动、迟滞和眼图

　　稳定时间

　　当数字信号到达电压电平后，电压会小幅反弹并稳定到一个常数值。 稳定时间(ts)是指放大器、继电器或者其他电路达到稳定操作模式所需要的时间。 在进行数字信号采集的情况下，整个过程的稳定时间是指信号达到特定精确度并保持在该范围所需要的总时间。

　　图9.稳定时间是指信号达到特定精确度并保持在该范围所需要的总时间。

　　迟滞

　　迟滞是指从逻辑低电平到逻辑高电平以及从逻辑高电平到逻辑低电平的转换之间探测到的电压电平差。 它等于输入低电压减去输入高电压。

　　图10.迟滞是指从逻辑低电平到逻辑高电平以及从逻辑高电平到逻辑低电平的转换之间探测到的电压电平差。

　　迟滞是一个有用的数字仪器属性，因为它可以帮助数字系统过滤掉一些高频率的噪声。 这些噪声的产生通常是由于逻辑电平转换时的高边沿速率反射，如果某个电压阈值在逻辑状态下发生改变，那么这些噪声就会导致数字设备产生错误的电平转换探测。 图11展示了这一现象。第一个样本作为逻辑低电平被捕获。 第二个样本仍然是逻辑低电平，因为信号还没有达到高电平阈值。 第三个和第四个样本是逻辑高电平，第五个是逻辑低电平。

　　图11. 迟滞可以过滤掉数字系统中部分高频噪声。

　　对于具有恒定电压阈值的设备，系统的抗噪容量(NIM)和迟滞由用户选择的系统组件决定。 系统NIM和迟滞都会让系统具有一定的抗噪水平，但是对于特定的逻辑系列，在这两者之间总是存在一定的取舍—迟滞越多，NIM就越小，反之亦然。 在确定如何设置电压阈值时，您需要仔细检查系统的信号质量，并依此决定您是需要提高高电平和低电平(更大的NIM)时的抗噪性还是需要提转换(更多的迟滞)时的抗噪性。

　　偏斜

　　偏斜是时钟信号在不同时间到达不同部分。 与漂移不同的是，时钟信号具有相同的周期;只不过它们到达的时间不相同。 达到时间的不同可能由很多因素引起，这些因素包括导线长度、温度变化以及输入电容的不同。 通道间偏斜通常指设备上所有数据通道的偏斜。 每次采集样本时，每个数据通道采样的时间点和其他数据通道的采样时间点各不相同，但是每次时间差都会处在一个很小的窗口时间范围内，这个窗口时间范围称为通道间偏斜。

　　图12. 通道间偏斜通常指设备上所有数据通道的偏斜。

　　眼图

　　眼图是一种定时分析工具，可以帮助您直观地查看定时错误和电平错误。 在现实生活中类似于抖动这样的误差很难量化，因为它经常变化，而且变化量很小。 因此，眼图可以精确发现最大抖动，同样也可以发现测量偏差、上升时间、下降时间以及其他误差等。 随着误差的增大，眼图中心的白色区域逐渐减小。

　　眼图通过对数字信号的不同部分进行覆盖扫描得到。 它应包含每种可能的位序列，包括简单的高到低转变以及经过长时间一致性运行后的隔离转变。 当重叠发生时，眼图看起来像个眼睛。 眼图是理解设计信号完整性的一种可视化方法。 请记住，眼图给出了信号的参数信息，但是它不能探测逻辑问题或协议错误，比如当设备需要发送高电平但却发送出低电平。

　　图13展示了眼图的常用术语。

　　高电平，又称为1电平，是逻辑高电平的主值。 逻辑高电平的计算值等于眼图周期20%处所捕获到的所有数据样本的平均值。 低电平，又称为0电平，是逻辑低电平的主值。 这一电平的计算与高电平计算取相同区域。 眼图的振幅是指高电平与低电平之间的差值。 位周期又称为单位间隔(UI)，它通过测量眼图中眼睛图交叉点的水平间距得到。 它是数据速率的倒数。 在生成眼图时，用单位间隔取代时间作为横轴坐标，就可以很容易地比较不同数据速率的眼图。 眼高是指眼图的竖直开口。 理论上来讲，其值应该等于振幅，但是由于有噪声的存在，现实中这种理想情况几乎不会发生。 同样地，在系统中噪声越大眼高就越小。 眼高反应了信号的信噪比。 眼宽是指眼图的水平开口。它通过计算眼图交叉点统计平均值之间的差得到。 眼图交叉百分比是指占空比扭曲或脉冲对称问题。 理想信号的眼图交叉百分比是50%;当百分比发生偏离，眼图会闭上，则表明信号完整度降低。

　　图13. 图中显示了眼图的高电平(A)、低电平(B)、振幅(C)、位周期(D)、眼高(E)、眼宽(F)以及交叉百分比(G)。

　　图14给出了实际眼图的其他测量值。

　　图中的上升时间是所有上升时间的平均值。 斜率指对定时误差的敏感度，其值越小越好。 图中的下降时间是所有下降时间的平均值。 斜率指对定时误差的敏感度，其值越小越好。 逻辑高电平的值宽是指信号的失真总量(由信噪比决定)。 采样点的信噪比是指从眼宽到底部的距离或者到逻辑高电压的距离。 信号的抖动 当信噪比达到最佳值时眼图的开口达到最大，此时是采样的最佳时间。

　　图14.图中显示了眼图的上升时间(A)、下降时间(B)、失真(C)、信噪比(D)、抖动(E)、采样最佳时间(F)。

　　3. 总结

　　使用数字波形作为时钟信号，时钟信号具有固定周期，在数据传输过程中同步数字信号发射器和接收器。 时钟信号的占空比是波形周期的百分比，也就是波形处于逻辑高电平所占的时间比。 时钟的确定边沿又称为有效时钟边沿。 建立时间和保持时间在接收器的时钟有效边沿附近形成了一个稳定的窗口，以便接收器能够可靠地采集数据。 抖动是指事件的理论时间和实际时间之间的偏差;它会引起信号的失真。 当发射器的时钟周期与接收器的周期稍有不同时便会发生时钟漂移，它将会导致同步失败和其他错误。 上升时间和下降时间指示了信号在低电平和高电平之间转换所需的时间。 过冲、前冲和下冲统称为偏差，是系统出现错误的指示。 稳定时间是指信号达到一定的精度并保持在这个精度范围内所经历的时间。 迟滞可以过滤掉数字系统中的部分高频噪声。 偏斜会导致时钟信号在不同时间到达不同分量。

　　眼图是一种定时分析工具，可以帮助您直观地查看定时错误和电平错误。