數(shù)字定時： 時鐘信號、抖動、遲滯和眼圖

摘要：了解時鐘信號的數(shù)字定時以及諸如抖動、漂移、上升時間、下降時間、穩(wěn)定時間、遲滯和眼圖等常用術(shù)語。 本教程是儀器基礎教程系列的一部分。

1. 時鐘信號

發(fā)送數(shù)字信號其實發(fā)送的就是一串由0或1組成的數(shù)字序列。 然而，與不同設備進行通信時，定時信息要與發(fā)送的位相關聯(lián)。 數(shù)字波形作為時鐘信號的參考。 您可以將時鐘信號看成是一個指揮者，它為數(shù)字電路系統(tǒng)的各個部分提供定時信號，使每個過程都可在精確的時間點觸發(fā)。

時鐘信號是具有固定周期的方波。 周期是指一個時鐘邊沿到下一個同類時鐘邊沿之間的時間間隔，最常用的方式是一個上升沿到下一個上升沿之間的時間間隔。 時鐘的頻率等于時鐘周期的倒數(shù)。

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圖1. 數(shù)字波形作為時鐘信號的參考，時鐘信號具有固定周期，在數(shù)據(jù)傳輸過程中用固定的時間間隔來同步數(shù)字信號發(fā)射器和接收器。

時鐘信號的占空比是波形處于所占的時間比。 圖2展示了兩個具有不同占空比的波形的區(qū)別 您可以發(fā)現(xiàn)占空比為30%的波形處于的時間少于占空比為50%的波形。

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圖2.信號的占空比是指波形處于的時間百分比。

時鐘信號用于在數(shù)據(jù)傳輸過程中同步數(shù)字信號發(fā)射器和接收器。 比如，發(fā)射器可以在時鐘信號的每個上升沿發(fā)送一個數(shù)據(jù)位，接收器可使用相同的時鐘讀取數(shù)據(jù)。 在這種情況下，設備的確定邊沿是上升沿（從低電平到高電平）。 對于其他設備則可能是下降沿（從高電平到低電平）。 時鐘的確定邊沿又稱為有效時鐘邊沿。 數(shù)字信號發(fā)射器在每個有效時鐘邊沿觸發(fā)新的數(shù)據(jù)發(fā)送，而接收器則在每個有效時鐘邊沿上進行采樣。 后來的設備開始同時使用時鐘的上升驗和下降沿；這種設備被稱為雙倍數(shù)據(jù)速率傳輸(DDR)設備。 事實上，數(shù)據(jù)傳輸對于有效邊沿有短暫的短延；這種延時稱為時鐘到輸出時間。

當接收器依據(jù)采集時鐘接收數(shù)據(jù)時，我們需要注意兩個定時參數(shù)，以確保接收數(shù)據(jù)的可靠性。 建立時間(ts)是指數(shù)據(jù)連續(xù)處于有效邏輯電平且接收器準備好接收輸入信號所需的時間。 保持時間(tH)是指接收器采樣后，數(shù)據(jù)發(fā)生變化前需要保持在原有狀態(tài)的時間。 建立時間和保持時間在接收器的時鐘有效邊沿附近形成了一個穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。 圖3給出了一個上升沿時鐘信號的建立時間和保持時間。 通常，數(shù)字信號會在上升軌跡的中間切換電壓；因此時間基準標志通常放置在信號邊沿的正中央。

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圖3.建立時間和保持時間在接收器的時鐘有效邊沿附近形成了一個穩(wěn)定的窗口，以便接收器能夠可靠地采集數(shù)據(jù)。

2. 常用術(shù)語

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，定時是最重要的因素之一。 數(shù)字通信的可靠性和精確度均取決于定時的質(zhì)量。 然而，在實際應用中，任何事物都不是理想的。 以下是一些可以幫助您理解特定數(shù)字信號定時功能的常用術(shù)語和方法。

抖動
抖動是指事件的理想定時與實際定時之間的偏差。 為了理解這個概念，假設您正在發(fā)送一個數(shù)字正弦波并在坐標紙上繪制其圖形。 每個正方形相當于一個時鐘脈沖；由于垂直線之間的間隔是等距的，因此最后我們可以得到一個完美的周期性時鐘信號。 在每個時鐘脈沖上，您獲取3個數(shù)據(jù)點并將各點繪制在坐標紙上。 由于它具有周期性，因此您得到一個精準的正弦波。

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圖4. 周期性采樣時鐘可讓數(shù)字系統(tǒng)進行正確、精準的通信。

現(xiàn)在，我們假設垂直線之間不是等距的。 這樣會使時鐘信號的周期性不那么明顯。 當您繪制數(shù)據(jù)時，它們之間的間隔并不相同，因此看起來不正確。

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圖5. 如果時鐘信號發(fā)生了抖動，將引起數(shù)字波形發(fā)生變形。

在圖5中，您可以看到時鐘信號電平的切換距離是不均勻的；這就是時鐘的抖動。 盡管上圖抖動較為夸張，但是它說明了抖動的時鐘會導致采樣在不均勻的時間間隔上觸發(fā)。 這種不均勻?qū)е乱涗浐蛷椭频牟ㄐ伟l(fā)生變形。

現(xiàn)在看看只有1和只有0的數(shù)字信號的抖動。 請記住，抖動是指事件的理想定時與真實定時之間的偏差。 請注意單脈沖，抖動是指實際信號邊沿定時與理想時間位置的偏差。

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圖6.單脈沖抖動是邊沿定時的偏差

抖動通常從基準信號的過零點處測量。 它通常來自于串擾、同步轉(zhuǎn)換輸出和其他定期發(fā)生的干擾信號。 抖動會隨著時間而發(fā)生改變，因此抖動的測量和量化可以是在秒級抖動范圍內(nèi)通過示波器進行目視估算，也可以是按統(tǒng)計學方法進行測量，比如標準差隨時間的變化。

漂移
另一個常見的定時問題是漂移。 當發(fā)射器的時鐘周期與接收器的周期稍有不同時便會發(fā)生時鐘漂移。 起初，這種漂移影響不大。 然而，隨著時間的推移，這兩種時鐘信號之間的差別可能會變得顯著，并導致同步失敗或其他問題。

上升時間、下降時間和畸變
從理論上講，即使存在漂移，數(shù)字信號電平從0變化到1也只是瞬間發(fā)生。 然而，在實際中，信號從高電平變到低電平需要一定的時間。 上升時間(trise)是指信號從低電平變化到高電平，也就是從電壓的20%上升到80%所需要的時間。 下降時間(tfall) 是指信號從低電平變化到高電平，也就是從電壓的80%下降到20%所需要的時間。

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圖7.上升時間和下降時間指示了信號在低電平和高電平之間轉(zhuǎn)換所需的時間。

此外，在真實情況下，信號幾乎不會達到電壓電平并穩(wěn)定地保持在該電平上。 當信號在邊沿之后超過電壓電平時，峰值失真被稱為過沖。 如果信號在邊沿之前超過了電壓電平時，峰值失真被稱為前沖。 在邊沿之間，如果信號漂移低于電壓電平時，則稱為下沖。

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圖8.過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。

過沖、前沖和下沖統(tǒng)稱為偏差。 偏差的發(fā)生可能是由于電路板布局問題、不適時的終止或者半導體設備本身的質(zhì)量問題。