Định tuyến xung nhịp 30 MHz thông qua một số bảng

Tôi đang sử dụng trình điều khiển LED TLC5945 . Bộ vi điều khiển (Tôi đang sử dụng LPC1343 ) phải cung cấp đồng hồ cho bộ đếm thời gian / bộ đếm PWM bên trong. Tốc độ xung nhịp tối đa được phép được chỉ định là 30 MHz.

Tôi sẽ có một vài bảng với TLC5945 daisychained. Các bảng sẽ được kết nối thông qua các đầu nối trên bảng hoặc cáp ruy băng ngắn, chiều rộng của một bảng là 10cm. Tôi sẽ có tối đa 4 người trong số họ kết nối theo chuỗi.

Có lẽ tôi sẽ không sử dụng đầy đủ 30 MHz, nhưng tuy nhiên tôi muốn làm đúng - làm cách nào để định tuyến / điều kiện tín hiệu đồng hồ giữ nguyên?

Nếu tôi thêm một bộ đệm như 74HC245 vào đầu ra của mỗi bảng, tôi sẽ nhận được độ trễ 10ns sau mỗi bộ đệm, tôi không muốn điều đó. Tôi có nên sử dụng bộ đệm đồng hồ "không độ trễ" chuyên dụng? Tôi nên sử dụng loại chương trình chấm dứt nào?

30 MHz là đủ để bạn cần phải coi tín hiệu là một vấn đề đường truyền. Bạn sẽ cần chú ý đến cách bố trí bảng trên toàn thiết kế, bao gồm và đặc biệt là tại các đầu nối. Bạn sẽ cần mang thêm các chân nối đất cùng với tín hiệu 30 MHz của bạn hoặc có thể sử dụng các đầu nối đặc biệt.

Bạn sẽ cần thông tin về cách bố trí bảng, số lớp và bạn có thể cần phối hợp với nhà sản xuất bảng dự định của mình để họ có thể nhắm mục tiêu trở kháng đặc tính cụ thể cho bạn hoặc chỉ để lấy các tham số như hằng số điện môi.

Nghe có vẻ như bạn nhận thức được nhiều vấn đề này, nhưng tôi nghĩ tốt nhất nên giải quyết chúng, bởi vì nếu không cẩn thận, bạn có thể nhận được một thiết kế có chức năng nhưng phát ra rất nhiều RF và sẽ không bao giờ vượt qua được Kiểm tra EMI.

Hướng dẫn định tuyến tín hiệu:

• Tính toán trở kháng và chiều rộng theo dõi.
• Định tuyến đồng hồ của bạn đầu tiên.
• Nếu có thể, không bao giờ định tuyến tín hiệu qua một. Nếu phải, đặt tụ điện gần qua.
• Nếu có thể / có thể áp dụng, định tuyến tín hiệu qua một lớp bên trong (để các mặt phẳng bên ngoài và năng lượng có thể hoạt động như một loại lồng Faraday). Trong trường hợp này, tín hiệu phải được định tuyến trên một lớp trừ vias cần truy cập chip.
• Tín hiệu không bao giờ đi bất cứ nơi nào mà không có mặt phẳng mặt đất (hay nói đúng ra là mặt phẳng tham chiếu).
• Tín hiệu không bao giờ vượt qua một ranh giới giữa các mặt phẳng sức mạnh.
• Khi đi qua một kết nối, bao quanh nó với căn cứ.
• Trong chuỗi cúc, định tuyến trực tiếp đến đầu vào đồng hồ mà không sử dụng cuống, nếu có thể.
• Chéo các tín hiệu khác theo phương vuông góc.
• Nếu các tín hiệu khác phải đi cùng với nó, hãy giải phóng chúng. Bốn lần chiều rộng của dấu vết.
• Sử dụng kết thúc song song để nối đất với điện trở bằng với trở kháng đặc trưng của microstrip / dải phân cách hoặc chấm dứt nguồn nếu tín hiệu chỉ có một đích. Đối với một cuộc thảo luận xem câu hỏi liên quan này .

Tất nhiên, trong một thiết kế trong thế giới thực, bạn có thể phải phá vỡ một trong những hướng dẫn đó.

Hầu hết các quy tắc này tuân theo quan sát rằng ở tần số cao, dòng trở lại sẽ cố gắng đi gần tín hiệu, do đó bạn phải cung cấp đường dẫn cho dòng trở về. Nếu dòng trở lại được tách biệt về mặt vật lý, bạn đang tạo ra một ăng ten ký sinh. Mặt phẳng (hoặc power!) Cung cấp đường dẫn cho dòng trở về được gọi là tham chiếu. Đừng rời khỏi mặt phẳng tham chiếu. Nếu bạn phải đi qua, mặt phẳng tham chiếu sẽ thay đổi. Các tụ bypass được đặt giữa các mặt phẳng tham chiếu mới và cũ.

Các đầu nối của bạn sẽ gây ra vấn đề, bởi vì chúng có thể sẽ có trở kháng khác với PCB, do đó chúng sẽ gây ra phản xạ và làm giảm tín hiệu. Một lựa chọn có thể là sử dụng đầu nối điều khiển trở kháng phù hợp với trở kháng của bo mạch.

Về phía phần sụn, bạn có thể cần thử nghiệm cường độ ổ đĩa để kiểm soát tốc độ cạnh. Sức mạnh ổ đĩa tối đa thường là câu trả lời sai. Nhà cung cấp vi mạch của bạn sẽ có thể cung cấp mô hình IBIS mà bạn có thể mô phỏng mạch để ước tính tính toàn vẹn tín hiệu. Nói một cách chính xác, đó không phải là tần số xung nhịp gây ra sự cố toàn vẹn tín hiệu hoặc EMC, mà là tốc độ cạnh (thời gian chuyển đổi giữa cao và thấp) vì các cạnh nhanh biểu hiện dưới dạng quá độ băng thông rộng trong miền tần số. Giảm cường độ ổ đĩa và / hoặc tốc độ xoay sẽ làm giảm tốc độ cạnh và giảm lượng khí thải hài hòa, trong khi (có thể) làm tăng jitter đồng hồ. Kiểm tra bảng dữ liệu để xem tỷ lệ cạnh chấp nhận được đối với máy thu của đồng hồ.

Ý thức của tôi là nếu bạn làm bài tập về nhà, có lẽ bạn sẽ không cần bất kỳ loại bộ lặp tín hiệu nào. Ví dụ, xem xét SCSI, đây là một bus song song tốc độ cao rất lớn được phân phối trên các dây cáp ở khoảng 100 MHz. Nếu có thể, hãy xem xét đầu tư vào một chương trình như HyperLynx để mô phỏng bố cục của bạn.

Altera có một hướng dẫn tuyệt vời cho các vấn đề định tuyến tốc độ cao.

Sẽ không làm tổn thương bạn khi làm tất cả những điều mà jbarlow và David đề nghị, nhưng hãy để tôi cố gắng làm cho mọi thứ dễ dàng hơn một chút cho bạn (hoặc có thể khó hơn, bởi vì tôi sẽ nói rằng bạn có thể thoát khỏi rất nhiều về những điều, nhưng tôi sẽ không hứa ).

Một nguyên tắc kinh điển là bạn có thể coi một mạch là một mạch gộp nếu không có kích thước nào dài hơn 1/10 bước sóng của tín hiệu tần số quan tâm cao nhất. Nếu đó là một mạch gộp, bạn có thể coi các bản nhạc của mình chỉ là kết nối giữa các phần tử rời rạc. Nếu nó không phải là một mạch gộp, bạn cần phải lo lắng về các hiệu ứng mạch phân tán, và coi dấu vết của bạn là đường truyền.

Bạn đang nói về tần số xung nhịp 30 MHz, tương ứng với bước sóng 10 m. Nếu truyền qua FR4, bước sóng này sẽ giảm xuống còn khoảng 4,7 m. Và chiều dài mạch 40 cm. Vì vậy, đối với cơ bản của tín hiệu đồng hồ, bạn đang ở ngay rìa của quy tắc cũ.

Vấn đề: Bạn không cần phải lo lắng về tần số đồng hồ, nhưng có bao nhiêu sóng hài của tần số đó cần được truyền đi để tăng thời gian tăng và giảm mà bạn muốn. Nếu bạn cố tình làm chậm các cạnh bạn truyền, bạn có thể nhận được chỉ bằng sóng hài thứ 1 và thứ 3 (David đã ám chỉ điều này khi ông đề cập không nhất thiết phải sử dụng cường độ ổ đĩa tối đa).

Điều này mang lại cho bạn tần suất quan tâm tối đa 90 MHz và bước sóng tương ứng (tính bằng FR4) khoảng 1,6 m. Vì vậy, khoảng cách tới hạn là 16 cm. Điều đó có nghĩa là tổng thể bạn muốn cung cấp một đường dẫn trả lại được kết hợp chặt chẽ, coi các bản nhạc của bạn là các đường truyền và kết thúc với một trở kháng thích hợp, v.v.

Nhưng có lẽ bạn không phải trả thêm tiền cho trở kháng có kiểm soát. Nếu bạn thiết kế với các dấu vết trên chiều rộng tối thiểu có sẵn từ nhà cung cấp của bạn, (giả sử 8 hoặc 10 triệu), dung sai thông thường rất có thể sẽ cung cấp cho bạn hiệu suất đầy đủ.

Và nếu trên đường bạn phải đi qua, hoặc chạy qua một khoảng trống ngắn trong mặt phẳng mặt đất, hoặc bạn không thể đặt một tụ điện bỏ qua ngay bên cạnh một bộ phận tải, đừng đổ mồ hôi quá mạnh. Nếu bạn muốn chạy các bản nhạc của mình trực tiếp từ đầu nối đến đầu nối, với một vài cm để tiếp cận các chip tải trên mỗi bảng, sẽ không sao. Nếu chiều dài của phần không được kiểm soát của đường dẫn (hoặc khe trong mặt phẳng mặt đất) nhỏ hơn vài cm, điều đó sẽ không làm hỏng ngày của bạn. Ngay cả khi nó là 10 cm, bạn vẫn có thể thoát khỏi nó, nhưng đừng thúc đẩy vận may của mình.

Ví dụ, điều này có nghĩa là khi bạn kết nối giữa các bo mạch, không cần đầu nối điều khiển trở kháng chi phí cao. Thậm chí một vài cm cáp băng sẽ ổn. Một mô hình dây nối đất hoặc tín hiệu mặt đất hoặc tín hiệu mặt đất của dây trong ruy băng là một ý tưởng tốt, nhưng đừng lo lắng về cáp đôi hoặc dây cáp xoắn phù hợp với trở kháng.

Mặt khác, nếu bạn quyết định sử dụng bộ đệm trên mỗi bảng, điều đó sẽ cho phép bạn xử lý khá nhiều mạch trên mỗi bảng (ở độ dài 10 cm) như một mạch gộp. Bạn sẽ muốn quản lý độ lệch của bộ đệm, như David mô tả, và bạn sẽ phải hạn chế thời gian tăng và giảm của mỗi bộ đệm, nhưng bạn sẽ có được sự linh hoạt trong cách bố trí trên mỗi bảng mà không làm giảm chức năng. Điều đó nói rằng, bạn càng làm nhiều để giữ cho đường dẫn trở lại của bạn gần với dấu vết tín hiệu của bạn, bạn càng ít có khả năng gặp bất ngờ khó chịu khi thử nghiệm EMC.

Tôi nghĩ rằng câu trả lời của @ jbarlow khá đúng chỗ. Tôi muốn thêm một số vào nó, nhưng tôi sẽ không nhắc lại những gì anh ấy đã nói.

Điều duy nhất mà tôi không đồng ý với @jbarlow là việc sử dụng bộ lặp hoặc đệm tất cả các tín hiệu. Những gì anh ấy nói là chính xác, "nếu bạn làm bài tập về nhà của bạn ...". Nhưng đó là vấn đề, làm bài tập về nhà của bạn. Bạn có thể làm điều đó, nhưng bạn sẽ cần dây cáp và đầu nối tương đối đắt tiền-- và sau đó nó sẽ chỉ "thực sự khó khăn".

Có vẻ như việc thêm độ trễ 10 ns để đệm đồng hồ trên mỗi PCB thực sự là một vấn đề. Thật khó để tôi nói chắc chắn vì bạn đã bỏ qua rất nhiều chi tiết về các tín hiệu khác như BLANK và XLAT. Nhưng ngay cả khi đó là một vấn đề, bạn luôn có thể đệm TẤT CẢ các tín hiệu. Tất cả các cổng trong 74xx245 sẽ có xu hướng có cùng độ trễ (hoặc ít nhất là tương tự), và do đó thời gian tổng thể ở trình điều khiển LED sẽ vẫn tốt.

(Lưu ý: Kiểm tra bảng dữ liệu. Một con chip tốt sẽ liệt kê hai số độ trễ lan truyền khác nhau. Một cho một cổng riêng và một số khác cho thấy sự khác biệt hoặc độ lệch giữa các cổng trong cùng một chip. vẫn sẽ cần phải làm một phân tích thời gian thích hợp.)

Việc chấm dứt và trở kháng của các tín hiệu giữa PCB là rất quan trọng để làm cho thiết kế này hoạt động. Điều khiển trở kháng trong cáp nhiều dây luôn luôn khó khăn và việc chạy một tín hiệu duy nhất thông qua một số PCB và cáp chỉ là vấn đề. Bạn sẽ có một sự thay đổi trở kháng tại nhiều điểm dọc theo chiều dài tín hiệu, điều này sẽ tạo ra các vấn đề toàn vẹn tín hiệu. Việc đệm tất cả các tín hiệu giữa PCB sẽ giúp quản lý điều này. Ít nhất độ dài theo dõi và thay đổi trở kháng trên mỗi tín hiệu sẽ được giữ ở mức tối thiểu.

Việc sử dụng bộ đệm độ trễ bằng 0 là không bắt buộc và thực sự có thể làm cho mọi thứ tồi tệ hơn (và đắt tiền hơn). Bộ đệm không độ trễ thực sự là Phase-Khóa-Loops (PLL) và yêu cầu thiết kế cẩn thận để hoạt động hoàn hảo. Trong hầu hết các trường hợp, đây không phải là vấn đề lớn, nhưng chắc chắn có thể là vấn đề nếu đồng hồ của bạn không hoàn hảo. Tốt nhất nên tránh những thứ này cho ứng dụng này. Ngoài ra, bộ đệm độ trễ bằng 0 không phù hợp để đệm bất cứ thứ gì ngoài đồng hồ chạy liên tục-- vì vậy nó không giúp bạn đệm bất kỳ tín hiệu nào khác.