สัญญาณนาฬิกา 30MHz ผ่านหลายบอร์ด


9

ฉันใช้ไดรเวอร์ LED TLC5945 ไมโครคอนโทรลเลอร์ (ฉันใช้LPC1343 ) ต้องจัดเตรียมนาฬิกาสำหรับตัวจับเวลา PWM / ตัวนับภายใน ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงสุดที่อนุญาตคือ 30MHz

ฉันจะมีบอร์ดหลายบอร์ดที่มี TLC5945 ไดเซชเชน บอร์ดจะเชื่อมต่อผ่านทางตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดหรือสายริบบอนแบบสั้นความกว้างของบอร์ดหนึ่งตัวคือ 10 ซม. ฉันจะเชื่อมต่อได้สูงสุด 4 คนในซีรีส์

อาจเป็นไปได้ว่าฉันจะไม่ใช้ 30MHz เต็มรูปแบบ แต่อย่างไรก็ตามฉันต้องการทำถูกต้อง - ฉันจะกำหนดเส้นทาง / สภาพสัญญาณนาฬิกาให้อยู่ในสภาพสมบูรณ์ได้อย่างไร

ถ้าฉันเพิ่มบัฟเฟอร์เช่น 74HC245 ในผลลัพธ์ของบอร์ดทุกบอร์ดฉันจะได้รับความล่าช้า 10ns หลังจากบัฟเฟอร์ทุกครั้งฉันไม่ต้องการมัน ฉันควรใช้บัฟเฟอร์นาฬิกาแบบพิเศษ "zero delay" หรือไม่? ฉันควรใช้รูปแบบการเลิกจ้างแบบใด


2
รอบเดียวที่ 30MHz คือ ~ 33ns ถูกออกโดย 1/3 ของรอบเดียวต่อบอร์ดที่มีปัญหาใหญ่หรือไม่?
Toby Lawrence

1
เป็นคำถามและคำตอบที่ดีมาก ทุกคำตอบจะรวมอยู่ในการแก้ปัญหาโดยไม่ต้องทำซ้ำก่อนหน้านี้เลย
Vorac

คำตอบ:


20

30 MHz ก็เพียงพอแล้วที่คุณจะต้องจัดการกับสัญญาณว่าเป็นปัญหาของสายส่ง คุณจะต้องใส่ใจกับเลย์เอาต์ของบอร์ดในการออกแบบรวมถึงและโดยเฉพาะที่ตัวเชื่อมต่อ คุณจะต้องนำพินกราวด์เสริมพร้อมกับสัญญาณ 30 MHz หรืออาจใช้ขั้วต่อพิเศษ

คุณจะต้องการข้อมูลเกี่ยวกับรูปแบบของบอร์ดจำนวนเลเยอร์และคุณอาจต้องประสานงานกับผู้ผลิตบอร์ดของคุณเพื่อให้พวกเขาสามารถกำหนดเป้าหมายอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะสำหรับคุณหรือเพียงแค่รับพารามิเตอร์เช่นค่าคงที่ไดอิเล็กทริก

ดูเหมือนว่าคุณจะตระหนักถึงปัญหาเหล่านี้หลายอย่าง แต่ฉันคิดว่าควรจัดการกับปัญหาเหล่านี้ให้ดีที่สุดเพราะถ้าคุณไม่ระวังคุณอาจได้รับการออกแบบที่ใช้งานได้ แต่ส่งคลื่น RF จำนวนมากและจะไม่ผ่าน ทดสอบ EMI

แนวทางสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณ:

  • คำนวณความต้านทานและความกว้างของการติดตาม
  • กำหนดเส้นทางนาฬิกาของคุณก่อน
  • ถ้าเป็นไปได้อย่าส่งสัญญาณสัญญาณผ่านทาง หากต้องใส่ตัวเก็บประจุบายพาสใกล้กับทาง
  • หากเป็นไปได้ / สามารถใช้งานได้ให้ส่งสัญญาณผ่านเลเยอร์ภายใน (เพื่อให้พื้นดินด้านนอกและระนาบพลังงานสามารถทำหน้าที่เหมือนกรงฟาราเดย์) ในกรณีนี้สัญญาณควรถูกกำหนดเส้นทางในชั้นหนึ่งยกเว้นจุดแวะที่ต้องเข้าถึงชิป
  • สัญญาณไม่เคยไปทุกที่โดยไม่มีระนาบกราวด์ (หรือพูดอย่างเคร่งครัดคือระนาบอ้างอิง)
  • สัญญาณไม่เคยข้ามขอบเขตระหว่างระนาบพลังงาน
  • เมื่อผ่านตัวเชื่อมต่อให้ล้อมรอบด้วยบริเวณ
  • ในห่วงโซ่เดซี่ให้กำหนดเส้นทางไปยังอินพุตนาฬิกาโดยตรงโดยไม่ต้องใช้สตับหากเป็นไปได้ ไดอะแกรมของเดซี่เชนโดยไม่สมบูรณ์จาก PDF Altera
  • ข้ามสัญญาณอื่น ๆ ที่ตั้งฉาก
  • หากสัญญาณอื่นต้องเดินทางไปด้วย ความกว้างของการติดตามเป็นสี่เท่า
  • ใช้การเลิกจ้างแบบขนานไปที่กราวด์ที่มีความต้านทานเท่ากับความต้านทานลักษณะของไมโครสตริป / stripline หรือการยุติแหล่งที่มาหากสัญญาณมีเพียงปลายทางเดียว สำหรับการสนทนาดูคำถามที่เกี่ยวข้องนี้

แน่นอนว่าในการออกแบบโลกแห่งความเป็นจริงคุณอาจต้องฝ่าฝืนแนวทางเหล่านี้

กฎเหล่านี้ส่วนใหญ่ติดตามจากการสังเกตว่าที่ความถี่สูงกระแสกลับมาจะพยายามเดินทางใกล้กับสัญญาณดังนั้นคุณต้องระบุเส้นทางสำหรับกระแสกลับ หากกระแสย้อนกลับแยกทางกายภาพคุณกำลังสร้างเสาอากาศกาฝาก ระนาบกราวด์ (หรือกำลังไฟ!) ที่ให้เส้นทางสำหรับกระแสย้อนกลับเรียกว่าการอ้างอิง อย่าออกจากระนาบอ้างอิง หากคุณต้องผ่านทางเครื่องบินอ้างอิงจะเปลี่ยนไป ตัวเก็บประจุบายพาสถูกตั้งค่าระหว่างระนาบอ้างอิงใหม่และเก่า

คอนเนคเตอร์ของคุณจะมีปัญหาเพราะพวกมันอาจมีอิมพีแดนซ์ที่แตกต่างจาก PCB ดังนั้นพวกมันจะทำให้เกิดการสะท้อนแสงและทำให้สัญญาณเสื่อมคุณภาพ ทางเลือกหนึ่งอาจใช้ขั้วต่อที่ควบคุมความต้านทานที่ตรงกับความต้านทานของบอร์ด

ที่ด้านเฟิร์มแวร์คุณอาจต้องทดสอบความแรงของไดรฟ์เพื่อควบคุมอัตราขอบ ความแรงของไดรฟ์สูงสุดมักเป็นคำตอบที่ผิด ผู้จำหน่าย IC ของคุณควรสามารถให้แบบจำลองIBISซึ่งคุณสามารถจำลองวงจรเพื่อประเมินความสมบูรณ์ของสัญญาณ พูดอย่างเคร่งครัดไม่ใช่ความถี่สัญญาณนาฬิกาที่ทำให้เกิดปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณหรือปัญหา EMC แต่อัตราขอบ (เวลาในการเปลี่ยนระหว่างสูงและต่ำ) เนื่องจากขอบเร็วแสดงให้เห็นอย่างรวดเร็วว่าเป็นสัญญาณบรอดแบนด์ในโดเมนความถี่ การลดความแข็งแรงของไดรฟ์และ / หรืออัตราการฆ่าจะลดอัตราคมและลดการปล่อยฮาร์มอนิกในขณะที่ (อาจจะ) เพิ่มความกระวนกระวายใจนาฬิกา ตรวจสอบเอกสารข้อมูลทางเทคนิคเพื่อดูว่าอัตราขอบที่ยอมรับได้สำหรับตัวรับสัญญาณของนาฬิกาเป็นอย่างไร

ความรู้สึกของฉันคือถ้าคุณทำการบ้านของคุณคุณอาจไม่ต้องการทวนสัญญาณใด ๆ ลองพิจารณา SCSI ซึ่งเป็นบัสขนานความเร็วสูงขนาดใหญ่กระจายผ่านสายเคเบิลที่ประมาณ 100 MHz ถ้าเป็นไปได้ลองลงทุนในโปรแกรมเช่นHyperLynxเพื่อจำลองเลย์เอาต์ของคุณ

Altera มีคู่มือที่ยอดเยี่ยมสำหรับปัญหาการกำหนดเส้นทางความเร็วสูง


ขอบคุณสำหรับข้อมูลเชิงลึกที่ดี จากคำตอบของคุณฉันได้รับว่าไม่มีทางที่ฉันจะสามารถดึงมันออกมาได้ด้วยกระดานแกะสลัก DIY
miceuz

@miceuz: เอาละถ้ามันเป็นโปรเจ็กต์งานอดิเรกล่ะก็คุณไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับอีเอ็มซีดังนั้นบางที ฉันทามติที่เกิดขึ้นคือสิ่งนี้จะเป็นเรื่องยากสำหรับวิศวกรอาวุโสในการทำให้ถูกต้องและการพยายามทำสิ่งนั้นด้วยตนเอง DIY ไม่ได้ทำให้อะไรง่ายขึ้น ในทางกลับกันคุณสามารถลดความถี่สัญญาณนาฬิกาได้หากไม่ได้ผลในกรณีนี้ ฉันพยายามหาเลย์เอาท์อื่นเพื่อลดความยาวของโซ่เดซี่
jbarlow

จะลงคะแนนนี้สองครั้งถ้าทำได้
Renan

10

มันจะไม่ทำร้ายคุณที่จะทำทุกสิ่งที่ jbarlow และ David แนะนำ แต่ให้ฉันพยายามทำสิ่งต่าง ๆ ให้ง่ายขึ้นสำหรับคุณ (หรืออาจจะยากกว่านี้เพราะฉันจะบอกว่าคุณอาจหนีไปได้เยอะ ของสิ่งต่าง ๆ แต่ฉันจะไม่สัญญา )

กฎง่าย ๆ แบบคลาสสิกคือคุณสามารถพิจารณาว่าวงจรเป็นวงจรที่มีก้อนถ้าไม่มีมิติใดยาวกว่า 1/10 ความยาวคลื่นของสัญญาณความถี่สูงสุดที่น่าสนใจ หากเป็นวงจรที่มีก้อนคุณสามารถพิจารณาแทร็กของคุณเป็นเพียงการเชื่อมต่อระหว่างองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่อง หากไม่ใช่วงจรที่มีก้อนคุณจำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับเอฟเฟกต์วงจรแบบกระจายและพิจารณาเส้นทางของคุณว่าเป็นสายส่ง

คุณกำลังพูดถึงความถี่สัญญาณนาฬิกาที่ 30 MHz ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่น 10 m หากแพร่กระจายผ่าน FR4 ความยาวคลื่นนี้จะลดลงประมาณ 4.7 เมตร และวงจรมีความยาว 40 ซม. ดังนั้นสำหรับสัญญาณพื้นฐานของสัญญาณนาฬิกาคุณอยู่ที่ขอบของกฎนิ้วโป้งเก่า

ปัญหา: คุณไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับความถี่สัญญาณนาฬิกา แต่คุณต้องส่งฮาร์โมนิกส์ความถี่จำนวนเท่าไรเพื่อเพิ่มเวลาที่คุณต้องการ หากคุณจงชะลอความเร็วที่คุณส่งคุณอาจจะได้เสียงฮาร์มอนิกที่ 1 และ 3 (เดวิดพูดถึงสิ่งนี้เมื่อเขากล่าวถึงว่าไม่จำเป็นต้องใช้ความแรงของไดรฟ์สูงสุด)

สิ่งนี้จะช่วยให้คุณได้รับความถี่สูงสุดที่ 90 MHz และความยาวคลื่นที่สอดคล้องกัน (ใน FR4) ประมาณ 1.6 เมตร ดังนั้นระยะวิกฤตจึงเท่ากับ 16 ซม. ซึ่งหมายความว่าโดยรวมแล้วคุณต้องการให้เส้นทางการกลับมาเป็นคู่อย่างใกล้ชิดยกเลิกแทร็กของคุณเป็นสายส่งและยุติด้วยอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสม ฯลฯ

แต่คุณอาจไม่ต้องจ่ายเพิ่มสำหรับความต้านทานควบคุม หากคุณออกแบบโดยมีร่องรอยด้านบนความกว้างต่ำสุดจากผู้ขายของคุณ (เช่น 8 หรือ 10 ล้าน) ความคลาดเคลื่อนปกติน่าจะให้ประสิทธิภาพเพียงพอ

และถ้าคุณต้องผ่านช่องว่างหรือวิ่งข้ามช่องว่างสั้น ๆ ในระนาบกราวด์หรือคุณไม่สามารถใส่ตัวเก็บประจุบายพาสทางขวาถัดจากส่วนรับน้ำหนักได้อย่าเหงื่อแรงเกินไป หากคุณต้องการรันแทร็กของคุณโดยตรงจากตัวเชื่อมต่อไปยังตัวเชื่อมต่อโดยมีต้นขั้วเพียงไม่กี่ซม. เพื่อไปยังชิปโหลดในแต่ละบอร์ดมันจะไม่เป็นไร หากความยาวของส่วนที่ไม่มีการควบคุมของเส้นทาง (หรือช่องในระนาบกราวน์) น้อยกว่าไม่กี่ซม. แสดงว่ามันจะไม่ทำลายวันของคุณ แม้ว่ามันจะมีขนาด 10 ซม. แต่คุณก็สามารถหนีไปได้ แต่อย่าเสี่ยงโชค

ตัวอย่างเช่นนี้หมายความว่าเมื่อคุณเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเชื่อมต่อควบคุมความต้านทานราคาสูง แม้กระทั่งสายริบบิ้นสองเซนติเมตรก็โอเค รูปแบบสายไฟของสายกราวด์ใน Ribbon เป็นความคิดที่ดี แต่ไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับสายเคเบิลหรือคู่บิดเกลียวที่จับคู่กับอิมพิแดนซ์

อีกกรณีหนึ่งถ้าคุณตัดสินใจที่จะใช้บัฟเฟอร์ในแต่ละบอร์ดมันจะช่วยให้คุณสามารถรักษาวงจรในแต่ละบอร์ด (ที่ความยาว 10 ซม.) เป็นวงจรที่มีก้อน คุณจะต้องจัดการกับความลาดเอียงของบัฟเฟอร์ดังที่ David อธิบายไว้และคุณจะต้อง จำกัด เวลาที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงของบัฟเฟอร์แต่ละตัว แต่คุณจะได้รับความยืดหยุ่นมากในการจัดวางในแต่ละบอร์ดโดยไม่มีการย่อยสลาย ที่กล่าวมายิ่งทำมากขึ้นเพื่อให้เส้นทางการส่งคืนของคุณอยู่ใกล้กับร่องรอยสัญญาณของคุณยิ่งมีโอกาสน้อยที่คุณจะประหลาดใจที่น่ารังเกียจเมื่อพูดถึงการทดสอบ EMC


6

ฉันคิดว่าคำตอบของ @ jbarlow ค่อนข้างตรงประเด็น ฉันต้องการที่จะเพิ่มบางอย่าง แต่ฉันจะไม่รำคาญซ้ำสิ่งที่เขาพูด

สิ่งเดียวที่ฉันไม่เห็นด้วยกับ @jbarlow คือการใช้งานของนักทำซ้ำหรือการบัฟเฟอร์สัญญาณทั้งหมด สิ่งที่เขาพูดนั้นถูกต้อง "ถ้าคุณทำการบ้าน ... " แต่นั่นเป็นปัญหาการทำการบ้านของคุณ คุณสามารถทำได้ แต่คุณจะต้องใช้สายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อที่ค่อนข้างแพง - และจากนั้นจะเป็น "ยากมาก" เท่านั้น

ไม่ปรากฏว่าการเพิ่มการหน่วงเวลา 10 ns เพื่อบัฟเฟอร์นาฬิกาบนแต่ละ PCB เป็นปัญหาจริงๆ มันยากสำหรับฉันที่จะพูดอย่างแน่นอนเนื่องจากคุณทิ้งรายละเอียดมากมายเกี่ยวกับสัญญาณอื่น ๆ เช่น BLANK และ XLAT แต่ถึงแม้ว่ามันจะเป็นปัญหาคุณก็สามารถบัฟเฟอร์สัญญาณทั้งหมดได้ตลอดเวลา ประตูทั้งหมดใน 74xx245 มีแนวโน้มที่จะมีความล่าช้าเท่ากัน (หรืออย่างน้อยคล้ายกัน) ดังนั้นเวลาโดยรวมที่ไดรเวอร์ LED จะยังคงดีอยู่

(หมายเหตุ: ตรวจสอบเอกสารข้อมูลทางเทคนิคชิปที่ดีจะแสดงหมายเลขหน่วงเวลาการแพร่กระจายที่แตกต่างกันสองตัวหนึ่งตัวสำหรับแต่ละเกทและอีกอันแสดงความแตกต่างหรือความล่าช้าระหว่างประตูภายในชิปตัวเดียวกันอย่าใช้คำของฉันเลย จะยังคงต้องทำการวิเคราะห์เวลาที่เหมาะสม)

การยกเลิกและอิมพีแดนซ์ของสัญญาณระหว่าง PCB นั้นมีความสำคัญต่อการออกแบบนี้ การควบคุมความต้านทานในสายเคเบิลหลายตัวนำนั้นทำได้ยากและการใช้สัญญาณเพียงครั้งเดียวผ่าน PCB หลายสายและสายเคเบิลกำลังรอให้เกิดปัญหา คุณจะมีการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์หลายจุดตามความยาวของสัญญาณซึ่งจะสร้างปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณ การบัฟเฟอร์สัญญาณทั้งหมดระหว่าง PCB จะช่วยในการจัดการสิ่งนี้ อย่างน้อยความยาวการติดตามและการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของแต่ละสัญญาณจะถูกเก็บไว้ให้น้อยที่สุด

ไม่จำเป็นต้องใช้บัฟเฟอร์การหน่วงเวลาเป็นศูนย์และอาจทำให้สิ่งเลวร้ายลง (และมีราคาแพงกว่า) บัฟเฟอร์การหน่วงเวลาเป็นศูนย์นั้นเป็นแบบล็อคเฟส (PLL's) จริงๆและต้องการการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อให้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ในกรณีส่วนใหญ่นี่ไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่แน่นอนว่าอาจเป็นปัญหาหากนาฬิกาของคุณไม่สมบูรณ์แบบ มันจะเป็นการดีที่สุดที่จะหลีกเลี่ยงสิ่งเหล่านี้สำหรับแอปพลิเคชันนี้ นอกจากนี้บัฟเฟอร์การหน่วงเวลาเป็นศูนย์ไม่เหมาะสำหรับการบัฟเฟอร์สิ่งอื่นนอกเหนือจากนาฬิกาที่ทำงานอย่างต่อเนื่อง - ดังนั้นจึงไม่ช่วยให้คุณบัฟเฟอร์สัญญาณอื่น ๆ


คะแนนที่ยอดเยี่ยม ฉันยอมรับว่าวิธีการส่งสัญญาณบัฟเฟอร์อาจเป็นวิธีที่ปลอดภัยและมีแนวโน้มที่จะประสบความสำเร็จ
jbarlow

ฉันจะบัฟเฟอร์ ant ยุติสัญญาณได้อย่างไร มันคือ MCU-> Buffer-> Series term-> cable-> Buffer-> TLC5945-> Buffer-> series term-> cable ... หรือ MCU-> Buffer-> Series term-> cable-> TLC5945-> Buffer -> series term-> cable ... ฉันจำเป็นต้องบัฟเฟอร์สัญญาณจากปลายทั้งสองของสายเคเบิลหรือฉันสามารถส่งต่อบนบัฟเฟอร์และการเลิกจ้างเพื่อทำงานทั้งสำหรับตัวเชื่อมต่อ / สายเคเบิลและสำหรับบอร์ดที่มาถัดไป
miceuz

@miceuz ตามหลักแล้วคุณจะบัฟเฟอร์สองครั้งในแต่ละกระดาน เมื่อสัญญาณเข้าสู่บอร์ดที่ขั้วต่อเดียว อีกครั้งที่สัญญาณออกจากบอร์ดที่ขั้วต่ออื่น ในทางปฏิบัติการทำเพียงครั้งเดียวก็น่าจะเพียงพอแล้ว ดังนั้นมันจะเป็น MCU-> Cable-> LED-> term-> buf-> cable-> led-> term-> buf-> cable-> etc โปรดทราบว่าการเลิกจ้างแหล่งที่มาซีรีส์ใช้งานได้เฉพาะในกรณีที่คุณมีการโหลดสัญญาณเดียวซึ่งคุณไม่ได้ คุณมีทั้งชิปขับ LED และบัฟเฟอร์ คุณควรดูที่จุดสิ้นสุด AC ซึ่งมีตัวต้านทานและฝาปิดแบบอนุกรมเพื่อต่อกราวด์ที่ปลายสุด
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.