Un diagramma a occhio è usato in ingegneria elettrica per avere una buona idea della qualità del segnale nel dominio digitale. Per generare una forma d’onda analoga a un diagramma a occhio, possiamo applicare la persistenza infinita a vari segnali analogici e a segnali quasi digitali come l’onda quadra e gli impulsi sintetizzati da un generatore di frequenza arbitraria (AFG).

Il diagramma dell’occhio prende il suo nome dal fatto che ha l’aspetto di un occhio umano. Viene creato semplicemente sovrapponendo forme d’onda successive per formare un’immagine composita. Il diagramma a occhio è usato principalmente per guardare i segnali digitali allo scopo di riconoscere gli effetti della distorsione e trovarne la fonte.

Per fare una dimostrazione usando un oscilloscopio Tektronix MDO3104, colleghiamo l’uscita AFG sul pannello posteriore a un canale di ingresso analogico sul pannello frontale e premiamo AFG in modo da visualizzare una sinusoide. Poi premiamo Acquire. Dal menu in basso, premiamo il softkey che corrisponde a Waveform Display. Sulla destra, usiamo la manopola multiuso a per impostare l’oscilloscopio per la persistenza infinita. Vediamo visualizzata una successione di forme d’onda una sull’altra.

È semplice sondare diversi punti di un circuito, guardando il diagramma a occhio, per localizzare eventuali problemi. Per esempio, se un tratto di cavo dovesse avere un guasto causato da un pizzico o una piega, i diagrammi a occhio osservati alle due estremità sarebbero diversi, e il cavo potrebbe essere riparato o più probabilmente l’intero tratto potrebbe essere sostituito.

Idealmente, il diagramma a occhio per i segnali digitali consisterebbe in due linee parallele con un tempo di salita e discesa istantaneo praticamente invisibile. Nel mondo reale, anche un segnale digitale ragionevolmente buono e abbastanza accettabile presenterà una certa quantità di variazioni di ampiezza e di tempo, che si mostreranno come linee discrete che non sono esattamente al loro posto, ma comunque sufficienti. Se ce ne sono abbastanza, appariranno aree oscurate.

Per quanto riguarda l’identificazione di anomalie dannose, è tutta una questione di grado. Non c’è nessun sostituto per guardare i diagrammi a occhio di segnali noti esistenti e buoni. Un buon piano sarebbe quello di salvare in flash drive i diagrammi a occhio di segnali presi in vari punti in apparecchiature digitali correttamente funzionanti.

È importante capire cosa viene mostrato in un diagramma a occhio e cosa non viene mostrato. Nella trasmissione digitale, una successione di uno e zero scorre verso il ricevitore. La trasmissione può consistere in una lunga serie di uno, una lunga serie di zero, una sequenza regolare o irregolare che si ripete periodicamente, una serie quasi casuale o qualsiasi combinazione. Il diagramma a occhio rivelerà se tutto funziona come previsto o se ci sono errori che confondono la trasmissione, causando, per esempio, la ricezione di uno zero quando è stato inviato un uno.

Il diagramma a occhio non rivelerà se è stato inviato uno stato logico errato a causa di un errore di programmazione o di un errore hardware. Tuttavia, questo non si applica quando si fanno certe prove, come quando un modello di trasmissione è noto ad entrambe le estremità.

L’analisi del diagramma a occhio produce una quantità impressionante di informazioni. L’analisi del diagramma a occhio è preziosa nella progettazione, nel debugging e nella manutenzione. Quando la frequenza aumenta, emergono nuovi problemi. I fenomeni della linea di trasmissione devono essere compresi e affrontati, specialmente per quanto riguarda l’adattamento dell’impedenza. Lievi errori di fabbricazione e di installazione degradano l’impedenza caratteristica, e le riflessioni e le collisioni dei dati che ne derivano aumentano la percentuale di errore. Anche un piccolo errore di progettazione o di costruzione della traccia PCB può far crollare un’intera rete. Il metodo più valido per identificare e localizzare tali guasti è confrontare i diagrammi a occhio prima e dopo (rispetto al flusso di dati).

Quando il flusso è controllato da un clock, l’oscilloscopio può generare un diagramma a occhio sovrapponendo segmenti successivi. L’innesco può avvenire sui bordi ascendenti o discendenti. Il diagramma a occhio risultante si discosterà in misura maggiore o minore dalla casella rettangolare che corrisponderebbe a una trasmissione perfetta.

La barra superiore in un diagramma a occhio è il risultato di stati logici alti discreti che coincidono verticalmente ma non orizzontalmente. Gli stati logici bassi sovrapposti creano la barra inferiore continua. Quelle onnipresenti X che sono una caratteristica familiare dei diagrammi a occhio sono dovute ai bordi di salita e discesa che si sovrappongono a intervalli regolari.

La trasmissione digitale ad alta velocità è caratterizzata dall’introduzione nel segnale di jitter. Ci si aspetta che un segnale elettronico sia periodico in una certa misura. Il jitter è la deviazione da questa periodicità e come tale è dannoso in termini di fedeltà del segnale. Ciò che appare all’estremità ricevente non è fedele all’intento all’estremità di trasmissione quando c’è un certo grado di jitter. Questo vale per l’ampiezza, la frequenza e la fase. Di conseguenza, possiamo definire il jitter come un tipo di errore di temporizzazione, una conseguenza dell’errore di tempo di salita e discesa. Inutile dire che il jitter si mostra chiaramente in un diagramma ad occhio. La linea di fondo sul jitter è che esso nasce da una combinazione di interferenze tra simboli, di diafonia, di riflessioni, di effetti termici e di vari fenomeni casuali che sono onnipresenti nei sistemi elettronici.

Un bit rate più alto si traduce sempre in un’apertura dell’occhio più piccola in senso verticale. Allo stesso tempo, l’errore di temporizzazione che si manifesta nel jitter comprende una frazione maggiore della forma d’onda, quindi possiamo cercare più errori di dati.

Le terminazioni scadenti alle estremità dei media aumentano il numero di riflessioni dei dati, un fatto che si rivela anche nell’aspetto del diagramma a occhio. Le linee che dovrebbero seguire un percorso unico diventano più separate, risultando in un aspetto caotico nel diagramma a occhio, un segno sicuro che ci sono problemi nel sistema.

L’analisi del diagramma a occhio non è la stessa di un’indagine sul tasso di errore di bit, ma le due tecniche sono spesso usate insieme.

Il tasso di errore di bit (BER) è calcolato come il numero di errori di bit per unità di tempo. Gli errori di sincronizzazione dei bit sono un fattore, così come la distorsione, l’interferenza e il rumore. Il BER è solitamente espresso in percentuale. Può essere rilevato automaticamente e visualizzato in una lettura alfanumerica, quindi questa metrica può essere controllata e registrata nel corso delle ispezioni di manutenzione ordinaria, spesso indicando lo sviluppo di problemi che precedono un’interruzione effettiva.

Subito correlato è il tasso di errore di pacchetto (PER). Un pacchetto è considerato errato se contiene uno o più bit non validi. Frames, blocchi e simboli sono soggetti a un’analisi simile. Nella trasmissione senza fili, il BER può essere legato a condizioni meteorologiche avverse o a cause strane come l’abbandono stagionale di alberi decidui che impattano il percorso del segnale.

La qualità della trasmissione del segnale può essere controllata per mezzo di un tester di rapporto di errore di bit (BERT), che è uno strumento portatile usato per misurare gli effetti di rumore, distorsione, ecc. Incorporati in questo strumento sono un generatore di pattern, un rilevatore di errori, un generatore di segnali di clock per sincronizzare questi blocchi, un analizzatore di comunicazione digitale per visualizzare i segnali trasmessi e ricevuti, e un’attrezzatura che esegue la conversione elettrica-ottica e ottica-elettrica.

Il metodo più comune di discriminazione del segnale è che l’estremità ricevente determini in un particolare momento se il segnale in entrata è superiore o inferiore a un livello di tensione specificato. Questo determina se il segnale ricevuto è logicamente alto o logicamente basso.

Il punto di demarcazione può essere spostato sulla forma d’onda. La soluzione usuale è di posizionarlo lontano dal livello alto, dal livello basso, dal bordo di salita o dal bordo di discesa. In questo modo sarà vicino al centro dell’occhio dove può essere facilmente identificato.

Come strumento sperimentale per valutare dispositivi, circuiti, apparecchiature o intere reti, il diagramma a occhio è superbo perché mostra l’effetto totale di qualsiasi rumore o forma d’onda dovuto a interferenze intersimbolo o effetti EMI. Inoltre, questi disturbi possono essere localizzati osservando i cambiamenti nel diagramma a occhio mentre la sonda viene spostata. I cambiamenti nel percorso dei cavi e le regolazioni dell’impedenza caratteristica si suggeriscono man mano che si studiano gli schemi a occhio.