Một số 'gotchas' của thiết kế bảng tần số cao là gì?

Tôi muốn thiết kế PCB cho bộ điều khiển vòng lặp tương tự .. một cái gì đó có A / D, D / A và bộ xử lý trên tàu. (DSP hoặc FPGA, tôi chưa quyết định.) Vì điều này sẽ điều chỉnh tín hiệu tương tự ở 10 kHz, nó cần phải là một bộ xử lý khá nhanh.

Theo những gì tôi hiểu, việc thiết kế một bo mạch cho bộ xử lý chạy trên 150 MHz hoặc hơn có thể rất khó khăn do các vấn đề RF. Một số lời khuyên bạn có thể cung cấp trong việc thiết kế một bảng như vậy là gì? Những vấn đề do bố trí có thể xảy ra? Có tài nguyên trực tuyến tốt nào có cơ sở kiến ​​thức cho việc này không?

Cảm ơn.

Nếu bạn quan tâm đến kỹ thuật số tốc độ cao, hãy lấy một bản sao của Thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao .

Những điểm chính:

• Yếu tố quyết định chính của mạch của bạn là thời gian tăng của logic. Ngay cả khi bạn hoạt động ở tốc độ xung nhịp chậm, các cạnh nhanh có thể tạo ra vấn đề.
• Thời gian tăng tối đa của hệ thống của bạn sau đó cung cấp cho bạn độ dài quan trọng của mạch. Về cơ bản nếu độ trễ lan truyền tín hiệu của bạn qua chiều dài của mạch dài hơn thời gian tăng của tín hiệu, bạn cần phải lo lắng về khía cạnh tần số cao của thiết kế.
• Nếu nó chỉ ra chiều dài tới hạn ngắn hơn bố trí mạch, thì bạn cần sử dụng bố trí trở kháng có kiểm soát. Điêu nay bao gôm:
  • Theo dõi hình học (chiều rộng theo dõi và cao trên mặt phẳng mặt đất) để cung cấp cho mạch một trở kháng đặc tính xác định.
  • Chấm dứt các trình điều khiển và / hoặc bộ thu với trở kháng đặc tính của dòng.

Sử dụng một mặt đất đầy đủ và máy bay điện. Giới hạn bỏ qua được giới hạn bởi độ tự cảm, phần lớn được xác định bởi kích thước gói, dấu vết và vias. Vì vậy, chọn kích thước gói nhỏ nhất mà bạn có thể làm việc, sau đó chọn điện dung lớn nhất không phá vỡ ngân sách của bạn. Nếu bạn cần bỏ qua nhiều hơn, hãy tăng một hoặc hai kích thước gói và nhận được điện dung lớn nhất trong gói đó. Khi kết nối nắp với mặt phẳng đất / điện, sử dụng hai vias ở hai bên của mỗi miếng; vias + cap sẽ trông giống như một H.

Việc tách các mặt phẳng có thể giúp cách ly các phần tương tự và kỹ thuật số. Không bao giờ vượt qua một mặt phẳng phân chia với một dấu hiệu tín hiệu !!! Giữ tín hiệu từ các cạnh của bảng. Giữ các tín hiệu cách nhau ít nhất gấp 2 lần chiều rộng để tránh nhiễu xuyên âm (mô phỏng rất hữu ích ở đây). Giữ tín hiệu chiều rộng dấu vết 5x cách xa các tín hiệu nhiễu (ví dụ: đồng hồ) hoặc tín hiệu cực kỳ nhạy (tức là đầu vào tương tự). Sử dụng dấu vết bảo vệ nối đất xung quanh các tín hiệu nhiễu / nhạy nếu cần thiết. Tránh vias và cuống có tín hiệu nhiễu / nhạy.

Lý tưởng nhất, cung cấp một dây nối đất cho mỗi tín hiệu trong một đầu nối. Chấm dứt tín hiệu kết nối, vì chúng muốn phun EMI. Các hạt Ferrite xung quanh dây cũng có thể giúp chống nhiễu. Giữ tín hiệu từ bên dưới kết nối.

Mặt phẳng mặt đất cho phép bạn tạo ra các dấu vết microstrip, có trở kháng được xác định rõ. Bạn cũng có thể sử dụng điện trở chấm dứt nếu dấu vết của bạn dài. Tôi nghĩ rằng quy tắc chung là cứ sau nS thời gian tăng, bạn có thể đi 2,5 "mà không cần điện trở kết thúc.

Sử dụng mô phỏng IBIS để xác định xem bạn có cần điện trở kết thúc hay không. Các GPU hiện đại có các thủ thuật hay cho loại điều này; họ có thể kiểm soát cường độ trình điều khiển đầu ra của mình, đôi khi ngay cả với "Trở kháng được điều khiển kỹ thuật số" (thuật ngữ Xilinx cho công nghệ). Mô phỏng IBIS cũng giúp ở đây, khi tìm ra cường độ ổ đĩa thích hợp.

Kiểm tra danh sách hài hước của các bản tin Thiết kế kỹ thuật số tốc độ cao của Tiến sĩ Howard Johnson. Thật sự tuyệt vời. http://www.sigcon.com/pubAlpha.htm

Tôi biết rất ít về bố trí tốc độ cao. Nhưng những điều phổ biến mà tôi đã nghe là: Tránh các góc vuông cho dấu vết tín hiệu (chúng gây ra phản xạ), đặt mặt phẳng trên càng nhiều mạch của bạn càng nhiều càng tốt và phân vùng bảng của bạn để có các loại tín hiệu tương tự (thấp- tốc độ kỹ thuật số, kỹ thuật số tốc độ cao, tương tự) vào các khu vực khác nhau, với "điểm sặc" trong mặt phẳng mặt đất của bạn để giảm thiểu nhiễu.

Đối với các tài nguyên trực tuyến tốt, tôi sẽ tưởng tượng các bảng dữ liệu & chú thích cho DSP hoặc FPGA mà bạn đang xem xét sẽ có một số mẹo hay. Tôi nhớ Xilinx có những thứ tốt.

Để giải quyết đơn đăng ký của bạn thay vì câu hỏi bạn đã hỏi trực tiếp (các câu trả lời khác đã nói về vấn đề này):

DSP 10 kHz cho bộ điều khiển vòng lặp không quá nhanh. (chúng tôi sử dụng các vòng điều khiển 5 hoặc 10kHz cho bộ điều khiển động cơ) Với một thiết bị hợp lý, tôi đoán là bạn sẽ có thể xử lý nó với tần số xung nhịp 40-80 MHz nếu bạn phải, và điều gọn gàng về loạt DSP mới hơn và vi điều khiển là họ sử dụng hệ số nhân vòng lặp pha khóa (PLL) để tăng tần số xung nhịp bên trong, do đó bên ngoài thực sự không cần phải có bất kỳ tín hiệu thực sự nhanh nào. Sê-ri DSP TMS320F28xx của TI (xem 28044 và 28235) có PLL 5x (nửa bước từ 0,5x đến 5x), do đó bạn có thể nhận được đồng hồ 100 MHz với tinh thể 20 MHz.

Đối với mặt kỹ thuật số, điều bạn cần chú ý nhất, là đảm bảo rằng bạn cung cấp một cặp năng lượng và mặt phẳng vững chắc cho bộ xử lý của bạn và đảm bảo bạn thêm tụ điện càng gần càng tốt với các chân cung cấp điện của bộ xử lý. Ngoài ra, thay vì chỉ rắc một loạt các tụ điện 0,1uF, hãy sử dụng nhiều loại tụ điện 0,1uF, 0,01uF và 0,001uF. Các tụ điện 0,1uF cung cấp nhiều điện tích hơn nhưng độ tự cảm ký sinh của chúng phát ra ở tần số thấp hơn so với những gì bạn sẽ thấy trên một tụ điện 0,01uF hoặc 0,001uF. Hai cái sau sẽ không cung cấp nhiều điện tích, nhưng sẽ hoạt động chính xác khi bỏ qua các tần số cao hơn. Chúng tôi có một thiết kế bảng đang hoạt động nhưng có độ ồn vừa phải trên bộ chuyển đổi tương tự sang số của DSP.

Chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số sẽ là điểm yếu nhất trong hệ thống của bạn. Bạn có thể sẽ không phải làm việc quá sức để hệ thống kỹ thuật số hoạt động tốt. Nhưng trừ khi bạn cẩn thận, bạn sẽ có hiệu suất tiếng ồn tầm thường trên ADC của mình. (Tôi e rằng tôi không có nhiều kinh nghiệm cá nhân khi xử lý vấn đề này; các kỹ sư khác của công ty chúng tôi xử lý bố cục, vì vậy những gì tôi nói với bạn là đã qua sử dụng.) Cách xử lý máy bay mặt đất là điều được tranh luận bởi hai cách tiếp cận riêng biệt: có nên sử dụng một mặt phẳng mặt đất khổng lồ cho toàn bộ hệ thống, so với hai mặt phẳng riêng biệt, một mặt phẳng tương tự + một kỹ thuật số, gắn với nhau tại ADC - trước đây là tốt cho các hệ thống 8-10 bit, và tôi nghe thấy tách các khu vực kỹ thuật số / tương tự của mạch là quan trọng hơn khi bạn có được số bit cao hơn (16 bit trở lên).

Đừng bỏ qua # các lớp bảng. Máy bay mặt đất và sức mạnh là bạn của bạn.

Đọc trên ham radio hoặc tìm một nhà điều hành Extra Class để giúp đỡ. Chúng tôi luôn luôn xử lý những vấn đề này với tần suất cao hơn nhiều. Chúng tôi cũng sử dụng xử lý DSP trong gần như tất cả các thiết bị của mình. Hãy thử công cụ giáo dục AARL trực tuyến hoặc QRZ. Các vấn đề không khó khắc phục nhưng có rất nhiều vấn đề có thể xảy ra.
73, KF7BYU

Như đã đề cập, bạn có thể sử dụng bộ xử lý nhanh với PLL và vẫn chỉ có tín hiệu 10kHz + bộ dao động thạch anh 12 MHz (gần CPU) trên bo mạch của bạn. Để đặt ra điều này sẽ không phải là một vấn đề.

Nhiều người (bao gồm cả tôi) đã phát âm thanh nổi 48kHz trên ARM7TDMI (phát trực tiếp từ thẻ SD được kết nối SPI trong trường hợp của tôi). Tôi thậm chí đã thấy giải mã mp3 trong phần mềm trên ARM7 50 MHz chạy từ RAM (có thể có trạng thái chờ khi làm việc từ Flash).

Có thể mua một bo mạch LPC1768 (100 MHz, ADC / DAC rất nhanh và chip trên chip, giá rẻ: 50 €) và tạo ra một nguyên mẫu? Chỉ khi điều này không đủ bắt đầu chơi với những thứ khác (tốn kém hơn và khó khăn hơn).