7.3 信号调节：什么是眼图

[音乐播放] 大家好！ 欢迎观看 TI 高精度实验室视频。 在本视频中，我们将讨论 关键的电气测量和高速信令 环境。 眼图。 在评估、设计和调试系统时， 眼图可能很有用。 在第一节课程中，我们将 讨论眼图的基本元素、眼图剖析和 可以通过眼图进行的 不同测量。 然后，我们将从不同的角度 讨论眼图的实际含义。 在以后的课程中，我们将讨论具体的 干扰和均衡形式，以及如何在眼图中 识别它们。 为了开始进行有关眼图的讨论， 我们必须首先了解什么是眼图。 简而言之，眼图是取决于数据、 用于评估高速数据 质量的电气测量。 眼图是在时域中测量的。 与大多数时域电气测量一样， 每组样本中都会出现测量 变化。 通过收集这些信号变化，可以 确定有关系统性能的更多信息。 眼图正是以这种方式进行构造的，我们稍后 将对此进行讨论。 眼图通常用于模拟 系统、评估产品和调试 系统级问题。 通常，这些系统包含高速数据链路， 如 USB、DisplayPort、HDMI、以太网等。 既然我们了解了什么是眼图，那么 让我们来讨论这种测量对我们 有何用处。 眼图未在协议级别显示任何 具体细节，但在从电气角度确定 与数据相关的故障原因时 很有用。 它们有助于发现系统问题的 根本原因，如误码、 数据包丢失、接收器端接错误等。 此外，大多数高速差分信令 协议都使用眼图测试来 评估信号质量，并确认信号 符合眼罩定义的具体 标准。 这使眼图在设计使用高速 信令协议的系统时成为必需的工具。 例如，请看幻灯片的顶部。 该眼图清楚地表明，高速信令 环境中存在大量 损耗。 这导致该图通常称为 眼图张开度的中间部分闭合。 这表明系统的信号质量很差， 并且误码率可能很高。 在第二个图像中，通过 引入高速信号调节器使同一个眼图张开。 这样可使信号通过眼图测试， 并达到可接受的信号性能和误码率 水平。 如果您以前看到过眼图， 则对右上角的图像很熟悉。 不过，示波器如何形成 眼图呢？ 如前所述，在时域中 测量眼图，并且每组 样本都会发生测量变化。 在左侧，您可以看到各种波形， 这些波形可以在高速信令环境中 通过传输介质进行传输，并且可以通过 示波器进行测量。 示波器将捕获此波形，并在 每个采样周期内将其相互叠加， 以创建眼图。 该变化是在多个单位间隔或 UI 上捕获的。 UI 是发生两次连续 转换所需的时长。 它也称为脉冲时间。 通过收集许多不同的位转换， 可以收集有关电信号及其 如何通过传输介质传播的 大量信息。 眼图应通过许多样本建立， 以确保该图真正代表系统性能。 假随机位序列模式通常用于 生成眼图。 在显示的图中，我们可以看到 眼图的简单表示。 让我们来讨论眼图的基本部分， 以帮助进行更深入的讨论。 红色的 VH 和蓝色的VL 是眼图的两个 基本元素。 眼图的这两个特性 指示接收器是否会看到 对应于正确位的预期电压电平。 VH 应该对应于 1， 而 VL 应该对应于 0。 这些电压电平通常在 发送器的电气规格中 进行描述。 以绿色显示的三行表示一个位转换。 由于转换发生在眼图的左侧， 因此它通常称为前沿。 相反，发生在右侧的位转换 称为后沿。 这些位转换包含信号的 高频成分。 在分析眼图时，前沿和后沿 将显示不同类型的均衡 效果以及不同类型的传输介质 加载影响。 交叉区域是眼图的另一个 重要部分。 交叉区域可以显示位转换的 变化，通常称为抖动， 并且通常表示眼图的最宽部分。 这对于理解系统 总抖动的影响很重要。 眼图最常用的两个垂直 测量是眼高和眼幅度。 这两个测量是相似的，但描述的 内容略有不同。 眼幅度描述高速 信号的整体峰峰值电压。 在实现 USB、PCIE、FPD Link 等高速 数据协议时，必须严格定义 峰峰值电压或眼幅度。 眼高是对测量的最低 VH 和测量的最高 VL之间电压差的度量。 它指您的系统眼图的张开度。 对于张开度很大的眼图，眼高和眼幅度值 是相似的。 不过，对于张开度很小的眼图，这 两者之间存在显著的差异。 通常，低眼高的主要原因是 传输介质的插入损耗。 还可以对眼图进行 几个关键的水平测量。 眼宽是这些测量中最重要的一个。 通常在眼图的最宽处进行 此测量。 达到特定的眼宽对于通过 眼图测试而言至关重要。 眼宽表示从时序角度而言眼图的 张开度。 可以为眼图测量总抖动， 并通过示波器将其分解为 基本分量。 随着总抖动的增加，信号的可用 眼宽会减小，并会影响传输数据的其他 接收器样本。 由于眼图张开度较小，总抖动较大的 系统往往具有较差的信号质量 和较高的误码率。 还可以从眼图中提取边沿速率， 边沿速率在确定可能影响交叉区域的特定 效果时很有用。 边沿速率也可以是在实现某些高速 数据协议时测试的另一个参数，用于 确保适当的发送器性能。 对于该幻灯片中的图，边沿速率是从 90% 和 10% 电压电平处开始进行测量的。 根据规格的不同，可以通过稍微 不同的方式来测量边沿速率， 例如在 80% 和 20%电压电平处或 70% 和 30% 电压电平处。 在前面的幻灯片中，我们讨论了眼图测试。 眼图测试的一个关键组成部分是眼罩。 眼罩代表不同的关键眼图要求， 是由六个关键点组成的预定义 区域，这些关键点定义了最小眼图张开度、最大 直流高电平区域和最小直流低电平区域。 可以将眼罩视为禁止区域。 当示波器对由眼罩定义的 禁止区域内的点进行采样时， 这称为违反眼罩。 通过眼图测试意味着您的 系统必须没有违反眼罩行为。 这对于符合众多高速数据协议而言 至关重要。 在某些情况下，为了通过眼图 测试，必须使用高速信号调节器 来清理信号，以确保信号 不违反眼罩。 如果不存在违反眼罩的情况， 则达到可接受的信号性能水平。 可以从眼图中获取大量的 信息。 不过，您对该信息的解释 取决于所测试的器件类型。 接下来，我们将从三个不同的 角度讨论眼图的一些实际含义。 在评估高速数据链路的 发送器性能时，您要确保测试 设置使发送器尽可能靠近 示波器。 这使您可以查看发送器的性能， 而不受电缆或 PCB引线的任何影响。 这样，您就可以查看理想条件下的 实际发送器性能，而不受 外界影响。 可以通过眼图验证的关键电气 参数是 VH、VL、峰峰值电压、 在信号中添加的任何预加重或 去加重、边沿速率以及所测试的 发送器产生的任何确定性抖动。 验证发送器的行为是否符合 预期可以帮助评估 不同的产品以及确定 是否需要信号调节。 在上面的眼图中，您可以看到一个 发送器眼图示例，以及可以进行的不同测量。 与发送器一样，在接收器处 测量时，眼图可以具有其自身的含义。 高速数据接收器的设计使其能够 在给定数据速率下的眼图张开度最大的 部分进行采样。 在上面的图中，您可以看到一个典型的采样区域。 在该区域内进行采样可确保对 正确的位进行采样，而不会受到相邻 位的干扰。 在该区域之外进行采样可能 意味着接收器会将数据解释为出错。 在眼图测试中，采样区域与 眼罩覆盖的区域发生重叠 绝非偶然。 在评估特定的接收器时， 务必使信号源靠近接收器， 以避免由于传输介质和 探头加载而增加额外的损耗。 有时，无法补偿测试设置的 所有固有负载影响和损耗， 这可以在上方的眼图中反映出来。 在评估特定的接收器时，务必 考虑这些影响。 在设计系统时，务必了解给定 输入的接收器性能，无论这意味着测试 接收器的均衡方案、内部终端 加载影响、抗扰性还是 抖动容限，都可以证明 测量眼图对了解接收器 如何与特定输入信号交互而言很有用。 从系统角度测量眼图可能 非常复杂。 发送器和接收器之间的交互可能 会受到传输介质、ESD 器件等位于 信号路径中的其他组件以及 许多不同外部噪声源的影响。 应在系统的不同点进行测量， 以进一步执行调试过程。 眼图可以通过识别增强或降低 系统级性能的关键信号完整性 概念来帮助执行调试过程。 可以在眼图中识别和测量 接收器均衡、传输预 ND 加重、码间串扰和阻抗突然 变化引起的反射等概念。 为了回顾一下我们讨论的内容， 让我们来做一个小测验。 选择所有正确的陈述。 A. 眼图是一种与数据无关的 电气测量。 B. 添加高速信号调节器 可以改善眼图。 C. 通过随时间的推移叠加不同的位转换 来生成眼图。 D. 眼图仅包含垂直测量。 正确答案是 B 和 C。 选择所有正确的陈述。 A. 眼图包含后沿和前沿。 B. 可以使用眼罩验证眼图。 C. 可以通过眼图测量随机抖动。 D. 可以通过眼图测量边沿速率。 正确答案是 B、C 和 D。 对还是错。 眼图只能包含两个离散的直流电压电平。 正确答案是错。 综上所述，眼图是评估 系统高速信号质量的常用工具。 在后续视频中，我们将讨论 某些信号完整性问题如何影响眼图， 如何识别这些问题， 以及它们如何影响系统级性能。