PCB 设计中眼图到底有什么用?

 

眼图,是由于示波器的余辉作用,将扫描所得的每一个码元波形重叠在一起,从而形成眼图。

 

本文将带领大家了解 PCB 上的眼图是什么,眼图是怎样形成的,眼图中包含有哪些信息,如何根据眼图情况分辨信号质量。

 

想看 懂示波器眼图需要掌握以下 4 点:

一、什么是眼图?

眼图是一系列数字信号在示波器上累积而显示的图形,它包含了丰富的信息,从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响,体现了数字信号整体的特征,从而估计系统优劣程度,因而眼图分析是高速互连系统信号完整性分析的核心。

 

另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰,改善系统的传输性能。

 

 

用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端,然后调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。

 

示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形,更多的反映的是细节信息,而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征。

 

观察眼图的方法是:用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端,然后调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛,故称为“眼图”。

 

从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响,从而估计系统优劣程度。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰和改善系统的传输性能。

 

二、眼图是怎么形成的?

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。

 

如下图。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。

 

 

三、眼图中包含的信息有哪些?

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

 

 

上升时间(RiseTime):脉冲信号的上升时间是指脉冲瞬时值最初到达规定下限和规定上限的两瞬时之间的间隔。除另有规定之外,下限和上限分别定为脉冲峰值幅度的 10%和 90%。

 

下降时间(FallTime):脉冲信号的下降时间是指从脉冲峰值幅度的 90%下降到 10%所经历的时间间隔。

 

上冲(Overshoot):也叫过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压,主要表现为一个尖端脉冲,并且能导致电路元器件的失效。

 

下冲(Undershoot):是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。

 

门限电平(Threshold/CrossingPercent):是指在系统传输特性劣于某一特定误码率的情况下,收信机所能达到的最低接收电平。

 

四、如何根据眼图情况分辨信号质量

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。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(VoltageNoise);在横轴时间轴上,体现为时域的抖动(Jitter)。如下图示。

 

 

当存在噪声时,噪声将叠加在信号上,观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰,“眼睛”将张开得更小。一般眼图的眼睛睁得越大,眼图眼高越高,代表信号质量越好。

 

做信号仿真可以获取眼图情况,然后根据眼图情况判断信号的质量,如果眼图情况不好,可以调整硬件设计或者 PCB 设计,使眼图眼高变高,保证生产出的产品信号质量。