CN109995359B - 边沿触发器亚稳态观测***及其观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种边沿触发器亚稳态观测***及其观测方法，包括：一种边沿触发器亚稳态观测***，包括：脉冲信号源、延迟器A、延迟器B、触发器、NRZ/RZ变换器、误码测试单元和示波器；在触发器的D端和CP端分别接入了延迟器A和延迟器B，用示波器读出延迟器A和延迟器B的输入延迟间隔τ01。NRZ/RZ变换器设于触发器Q端和误码测试单元之间；用误码测试单元对触发器Q端脉冲上跳沿和CP端脉冲上升沿分别进行计数。本发明优点在于：该观测***简单易行、可靠性高，对从事边沿触发器亚稳态特性研究的工程技术人员和教学人员具有重要的参考价值。

Description

边沿触发器亚稳态观测***及其观测方法
技术领域
本发明涉及亚稳态观测技术领域，特别涉及一种边沿触发器亚稳态观测***。
背景技术
触发器作为一种高速的存贮记忆元件，广泛地运用于当代IT硬件电路与***中。为实现对输入数据的可靠存贮，要求输入数据在时钟上升沿前后的建立时间和保持时间区域保持恒定，否则将发生亚稳态，造成触发器中存贮数据的误码。在对触发器内部电路研究和触发器跨时钟域应用中，人们常需要观测亚稳态发生过程。但由于亚稳态过程属随机过程，在实际工作中很难观测得到。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种边沿触发器亚稳态观测***，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种边沿触发器亚稳态观测***，包括：脉冲信号源、延迟器A、延迟器B、触发器、NRZ/RZ变换器、误码测试单元和示波器；
在触发器的D端和CP端分别接入了延迟器A和延迟器B，用示波器读出延迟器A和延迟器B的输入延迟间隔τ01。
NRZ/RZ变换器设于触发器Q端和误码测试单元之间；
用误码测试单元对触发器Q端脉冲上跳沿和CP端脉冲上升沿分别进行计数，然后按
Figure BDA0002022202770000021
公式得出该输入激励情况下的误码率δ01。
误码测试单元由NI采集卡和Labview软件构成，
LABVIEW编程时，只需将NI采集卡端口采集进来的数据进行上升沿判别，用移位寄存器连续计数，并编写清零端。
NI采集卡端口采集的数据进行上升沿判别程序中，先用索引数组VI将两个端口的数据区分开，再分别使用布尔值转换(逐点)VI进行上升沿判别，该VI中，方向选择false-true。清零端采取在条件结构为假时将数据0写入到移位寄存器的办法，达到数据清零的目的。
进一步地，脉冲信号源输出0～5V方波，占空比50％，频率100Hz。移相器R＝100Ω。
一种边沿触发器亚稳态观测***的观测方法，包括以下步骤：
步骤1，通过示波器观测，使触发器的D端上跳沿与触发器CP端上升沿间距|τ01|>|τ01L|。
步骤2，实现对|τ01|在建立时间范围内的递减扫描。
步骤3，当|τ01|<|τ01L|时，在触发器Q端用示波器可观察到误码波形，此时可由示波器读出τ01值，由误码测试单元读出δ01值。
步骤4，随着|τ01|的减小，δ01值将逐渐单调增大。当|τ01|<|τ01H|时，δ01值将达到100％。继续减小|τ01|直至为0时，δ01值将始终保持100％值。
与现有技术相比本发明的优点在于：该观测***简单易行、可靠性高，对从事边沿触发器亚稳态特性研究的工程技术人员和教学人员具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明建立时间内的误码曲线图；
图2为本发明D端在[τ01L，τ01H]区间上跳变示意图；
图3为本发明Q端的随机误码波形图；
图4为本发明亚稳态观测***框图；
图5为本发明亚稳态观测***电路图；
图6为本发明误码测试单元结构图；
图7为本发明实施例亚稳态实验观测流程图；
图8为本发明实施例74HC74建立时间内δ～τ误码曲线图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列结合附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
工作原理
在边沿D触发器建立时间Tsu区域，存在一条如图1所示的误码曲线。
当D端数据由跳变前一时刻的“0”跳变至后一时刻的“1”时，D跳变沿与CP上升沿间隔为τ01，且满足|τ01L|>|τ01|>|τ01H|时，如图2所示。
在触发器Q端能观测到稳定的亚稳态误码波形，如图3所示。
图3中，Q端随机误码波形在某一时刻并不确定，但具有统计学规律，随着τ01从大到小，误码率将从0％逐渐单调上升至100％。
对CP、Q(RZ)上升沿计数，计数值之间存在数学关系：
Figure BDA0002022202770000041
为方便计数，需将Q端输出不归零波形Q(NRZ)转换为归零波形Q(RZ)。
亚稳态观测***的构成
亚稳态观测***构成框图如图4所示。为实现D端与CP端的延迟，在D端和CP端分别接入了延迟器1和延迟器2，用示波器读出输入延迟间隔τ01。用误码测试单元对Q端脉冲上跳沿和CP端脉冲上升沿分别进行计数，然后按(3)式得出该输入激励情况下的误码率δ01。
如D端和CP端采用同一脉冲信号源，延迟器选用RC延迟电路，NRZ/RZ电路由Q端与CP端相与得到，就可实现图3所示的时序。实验具体电路如图5所示。
图5电路中，工作电压5V，脉冲信号源型号RIGOL DS1102E，示波器型号TektronixMSO58。脉冲信号源输出0～5V方波，占空比50％，频率100Hz。移相器R＝100Ω，C2选用5/20pF微调电容。与门选用集成四2输入端与门CD4081。为了整形与隔离，非门选用集成六输入非门CD4069。
误码测试单元
误码测试单元由NI采集卡和Labview软件构成，如图6所示。
采集卡的型号为NI USB-6001，具有13个数字端口。此实验使用两个数字I/O端口，即端口P0.0、端口P0.1。
LABVIEW编程时，只需将P0.0、P0.1端口采集进来的数据进行上升沿判别，用移位寄存器连续计数，并编写清零端即可。
数据端口采集的数据进行上升沿判别程序中，先用索引数组VI将两个端口的数据区分开，再分别使用布尔值转换(逐点)VI进行上升沿判别，该VI中，方向选择false-true。清零端采取在条件结构为假时将数据0写入到移位寄存器的办法，达到数据清零的目的。
实施例1
利用亚稳态观测***对边沿D触发器进行实验观测的流程如图7所示。
一种边沿触发器亚稳态观测***的观测方法，包括以下步骤：
步骤1，使C1、C2最小，增大C3，通过示波器观测，使触发器的D端上跳沿与触发器CP端上升沿间距|τ01|>|τ01L|。
步骤2，固定C3，逐渐增大C1，实现对|τ01|在建立时间范围内的递减扫描。
步骤3，当|τ01|<|τ01L|时，在触发器Q端用示波器可观察到误码波形，此时可由示波器读出τ01值，由误码测试单元读出δ01值。
步骤4，固定C1和C3，增大细调电容C2值。随着|τ01|的减小，δ01值将逐渐单调增大。当|τ01|<|τ01H|时，δ01值将达到100％。继续减小|τ01|直至为0时，δ01值将始终保持100％值。
在图5中，将图中的D触发器由集成触发器74HC74替代，作为亚稳态观测实例。实测数据如表1所示。
表1 74HC74集成触发器误码率数据记录
τ<sub>01</sub>(ns) δ(％)
-20.000 0
-10.00 0
-5.000 0
-3.000 0
-1.300 0
-1.289 3.32
-1.220 13.06
-1.197 32.03
-1.096 54.91
-1.082 62.28
-1.059 74.84
-1.036 82.59
-1.013 95.55
-0.850 100
-0.500 100
0 100
表1中的τ01由示波器从D端和CP端波形半高读出。
用示波器监测Q端，当τ01进入[τ01L，τ01H]区间内，出现亚稳态误码。
由表1数据绘制的误码曲线如图8所示，τ01L＝1.675ns，τ01H＝1.013ns，误码过渡带位于1.675ns～1.013ns范围内。
本实施例介绍了边沿触发器亚稳态观测***的设计思想，给出了具体的测试电路和详细测试流程。当触发器D端与CP端之间的延时值处于建立时间内的某一区间，通过示波器能直观地看到发生亚稳态时的Q端误码输出波形。实施例中以集成边沿触发器74HC74作为实例，在建立时间1.675ns～1.013ns范围内呈现出0％～100％的单调稳定的误码波形，测试精度达0.001ns。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种边沿触发器亚稳态观测***的观测方法，其特征在于：
所述边沿触发器亚稳态观测***包括：脉冲信号源、延迟器A、延迟器B、触发器、NRZ/RZ变换器、误码测试单元和示波器；
在触发器的D端和CP端分别接入了延迟器A和延迟器B，用示波器读出延迟器A和延迟器B的输入延迟间隔τ01；
NRZ/RZ变换器设于触发器Q端和误码测试单元之间；
用误码测试单元对触发器Q端脉冲上跳沿和CP端脉冲上升沿分别进行计数，然后按
Figure FDA0004044827880000011
公式得出该输入激励情况下的误码率δ01；
误码测试单元由NI采集卡和Labview软件构成，
LABVIEW编程时，只需将NI采集卡端口采集进来的数据进行上升沿判别，用移位寄存器连续计数，并编写清零端；
NI采集卡端口采集的数据进行上升沿判别程序中，先用索引数组VI将两个端口的数据区分开，再分别使用布尔值转换(逐点)VI进行上升沿判别，该VI中，方向选择false-true；清零端采取在条件结构为假时将数据0写入到移位寄存器的办法，达到数据清零的目的；
所述观测方法，包括以下步骤：
步骤1，通过示波器观测，使触发器的D端上跳沿与触发器CP端上升沿间距|τ01|>|τ01L|；
步骤2，实现对|τ01|在建立时间范围内的递减扫描；
步骤3，当|τ01|<|τ01L|时，在触发器Q端用示波器可观察到误码波形，此时可由示波器读出τ01值，由误码测试单元读出δ01值；
步骤4，随着|τ01|的减小，δ01值将逐渐单调增大；当|τ01|<|τ01H|时，δ01值将达到100％；继续减小|τ01|直至为0时，δ01值将始终保持100％值。
2.根据权利要求1所述的一种边沿触发器亚稳态观测***的观测方法，其特征在于：脉冲信号源输出0～5V方波，占空比50％，频率100Hz；移相器R＝100Ω。
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