Yüksek frekanslı kart tasarımının bazı 'gotcha'ları nelerdir?


13

Analog döngü denetleyicisi için bir PCB tasarlamak istiyorum .. A / D, D / A ve işlemci bulunan bir şey. (Ya DSP veya FPGA, karar vermedim.) Bunun analog sinyalleri 10 kHz'de modüle etmesi gerektiğinden, oldukça hızlı bir işlemci olması gerekiyor.

Anladığım kadarıyla, 150 MHz ya da daha fazla çalışan işlemciler için bir tahta tasarlamak, RF sorunları nedeniyle çok zor olabilir. Böyle bir tahtanın tasarımında sağlayabileceğiniz bazı tavsiyeler nelerdir? Düzen nedeniyle ne gibi sorunlar ortaya çıkabilir? Bunun için bilgi tabanlarına sahip iyi çevrimiçi kaynaklar var mı?

Teşekkürler.


2
Bu kadar yüksek işleme hızına ihtiyacınız olduğundan emin misiniz? 10 kHz çok hızlı ses çıkarmıyor. Belki de ARM7 veya dsPic gibi bir şey yeterli olacaktır.
Clint Lawrence

kontrol döngüsünün ayrıntılarına ve gereksinimlerine bağlıdır: faz marjı, kontrol algoritmasının girişinden çıkışına kadar olan gecikme süresinden etkilenir. Sinyal işleme karmaşıksa, basit olandan daha fazla döngü sürecektir. Faz marjı gereksinimleri katı ise, daha az zamanınız olacaktır. İşleri her zaman yavaşlatabileceğiniz için biraz fazla işlemci gücüne sahip bir kart tasarlamak, biraz açığı olan bir kart tasarlamak daha iyidir.
Jason S

teşekkürler, bu doğru, zamanlama bu uygulamada kritik. içine girmek istemedim, ama aslında çıktı bir örnekleme süresi içinde hesaplanmalıdır, bu yüzden gecikme anahtardır.
Steve

Steve: Bir numunenin zamanında çıktıyı hesaplamamak oldukça zordur çünkü bu artık gerçek zamanlı olmadığınız ve hiçbir şeyi kontrol edemeyeceğiniz anlamına gelir.
jpc

Yanıtlar:


14

Yüksek hızlı dijital ile ilgileniyorsanız, Yüksek Hızlı Dijital Tasarım'ın bir kopyasını edinin .

Anahtar noktaları:

  • Devrenizin ana belirleyici faktörü mantığın yükselme süresidir. Düşük bir saat hızında çalışsanız bile, hızlı kenarlar sorun yaratabilir.
  • Sisteminizin maksimum yükselme süresi size devrenizin kritik uzunluğunu verir. Esasen, sinyalinizin devrenin uzunluğu üzerindeki yayılma gecikmesi, sinyalin yükselme süresinden daha uzunsa, tasarımın yüksek frekans yönü hakkında endişelenmeniz gerekir.
  • Kritik uzunluk devre düzeninden daha kısa çıkıyorsa, kontrollü empedans düzenini kullanmanız gerekir. Bu içerir:
    • Devreye tanımlanmış bir karakteristik empedans vermek için hat geometrisi (iz genişliği ve bir zemin düzleminin üzerindeki yükseklik).
    • Sürücünün ve / veya alıcıların hattın karakteristik empedansıyla sonlandırılması.

Bu kitabı aldım, kesinlikle harika. Ben sadece 3. bölümdeyim, ancak ilk üç bölüm bana yeni materyaller öğretti ve bildiğim materyalleri farklı şekillerde düşünmemi sağladı.
Kortuk

Neredeyse çeyrek yüzyıl sonra, kara büyü el kitabı hala bu konudaki kesin edebiyat eseridir.
Cort Ammon

7

Tam bir toprak ve güç düzlemi kullanın. Bypass kapakları, çoğunlukla ambalaj boyutu, izler ve viyalarla belirlenen endüktans ile sınırlıdır. Bu nedenle, çalışabileceğiniz en küçük paket boyutunu seçin, ardından bütçenizi bozmayan en büyük kapasitans için gidin. Daha fazla bypass'a ihtiyacınız varsa, bir veya iki paket boyutuna gidin ve bu paketteki en büyük kapasitansı alın. Kapağı yere / güç düzlemlerine bağlarken, her pedin her iki tarafında iki adet vias kullanın; vias + cap biraz H gibi görünür.

Düzlemlerin bölünmesi, analog ve dijital bölümlerin izole edilmesine yardımcı olabilir. Asla bir sinyal izleme ile bölünmüş bir düzlem çapraz !!! Sinyalleri kartın kenarından uzak tutun. Çapraz konuşmayı önlemek için sinyalleri en az 2x iz genişliği ayırın (simülasyonlar burada yararlıdır). Sinyalleri 5x genişlikteki gürültüyü yüksek gürültülü sinyallerden (yani saatler) veya aşırı hassas sinyallerden (yani analog girişlerden) uzak tutun. Gerekirse gürültülü / hassas sinyallerin etrafında topraklanmış koruyucu izler kullanın. Gürültülü / hassas sinyallere sahip yollardan ve saplamalardan kaçının.

İdeal olarak, bir konnektördeki sinyal başına bir topraklama kablosu sağlayın. Konektör sinyallerini sonlandırın, çünkü EMI'yi söylemek isterler. Telin etrafındaki ferrit boncuklar da konektör gürültüsüne yardımcı olabilir. Sinyallerin konektörlerin altına girmesini önleyin.

Zemin düzlemi, iyi tanımlanmış bir empedansa sahip mikroşerit izleri oluşturmanıza izin verir. İziniz uzunsa sonlandırma dirençlerini de kullanabilirsiniz. Genel kuralın yükselme süresinin her nS'si için olduğunu düşünüyorum, bir sonlandırma direnci olmadan 2,5 "gidebilirsiniz.

Sonlandırma dirençlerine ihtiyacınız olup olmadığını belirlemek için IBIS simülasyonlarını kullanın. Modern FPGA'larda bu tür şeyler için hoş hileler var; çıkış sürücüsü güçlerini, bazen "Dijital Kontrollü Empedans" (teknoloji için Xilinx terimi) ile bile kontrol edebilirler. IBIS simülasyonları, uygun tahrik gücünü bulurken burada da yardımcı olur.

Howard Johnson'ın yüksek Hızlı Dijital Tasarım bültenlerinin humongo listesine göz atın. Gerçekten harika. http://www.sigcon.com/pubsAlpha.htm


5

Yüksek hız düzeni hakkında çok az şey biliyorum. Ancak duyduğum ortak şeyler şunlardır: Sinyal izleri için doğru açılardan kaçının (yansımalara neden olurlar), devrenizin mümkün olduğunca üzerinde bir yer düzlemine sahip olun ve kartınızı benzer sinyal türlerine (düşük hızlı dijital, yüksek hızlı dijital, analog) farklı alanlara, yer düzleminde "boğulma noktaları" ile paraziti en aza indirir.

İyi çevrimiçi kaynaklara gelince, düşündüğünüz DSP veya FPGA için veri sayfalarının ve notların bazı iyi ipuçlarına sahip olacağını hayal ediyorum. Xilinx'in iyi şeyleri olduğunu hatırlıyorum.


Dik açılardan kaçınmak --- izler üzerinde tam anlamıyla yuvarlatılmış köşeler yapmak mı demek istediniz? (Sanırım düz bir çizgi olmazsa.)
Steve

Sanırım 90 derecede değil, açılara sahip olabileceğiniz anlamına geliyor. Uzun zamandır herhangi bir yuvarlatılmış köşe görmedim. Ancak PC'nizdeki anakarta bakarsanız, tüm köşelerin 90 dereceden daha az olduğunu göreceksiniz. Çizginin 90'a gitmesi gerekiyorsa, genellikle 30
derecelik

4
İki 45 derece açılı köşe tipiktir. Ancak iletim hattı izlerini ve uygun sonlandırmayı kullanmak köşe stilinden daha önemlidir. İletim hatlarını sonlandırmadıysanız, farklı köşe stilleri herhangi bir fark yaratmaz.
Clint Lawrence

iki 45 derece açı mükemmel eşleştirme özelliklerine sahip bir izde olduğu gibi çok yaygındır, daha sonra bunu düzgün bir şekilde yapmak için hangi tasarım hususlarının dikkate alınacağını açıklayan bir rehber bulacağım.
Kortuk

1
Bugün, kullanım eğrilerini etkileyen bir otomatik rota yazılımıyla karşılaştım. eremex.com/products/topor/competitiveadvantages/…
cyphunk

5

Doğrudan sorduğunuz sorudan ziyade başvurunuzu ele almak için (diğer cevaplar bunun hakkında konuştu):

Bir döngü denetleyicisi için 10 kHz DSP çok hızlı değil. (motor kontrolörleri için 5 veya 10kHz kontrol döngüleri kullanıyoruz) İyi bir cihazla, tahminim, eğer gerekiyorsa 40-80MHz'lik bir saat frekansıyla ve daha yeni DSP serileriyle ilgili düzgün bir şeyle başa çıkabilmeniz gerekir. ve mikrodenetleyiciler, saat frekansını dahili olarak artırmak için faz kilitli döngü (PLL) saat çarpanlarını kullandıklarından, harici olarak gerçekten hızlı sinyallere ihtiyaç duymazlar. TI'nin TMS320F28xx serisi DSP'ler (bkz. 28044 ve 28235) 5x PLL'ye (0.5x ila 5x arasında yarım adım) sahiptir, böylece 20MHz kristalli 100MHz bir saat alabilirsiniz.

Dijital taraf için, en çok dikkat etmeniz gereken şey, işlemciniz için iyi bir sağlam güç ve zemin düzlemi çifti sağladığınızdan ve işlemcinin güç kaynağı pimlerine mümkün olduğunca yakın baypas kapasitörleri eklediğinizden emin olmaktır. Ayrıca sadece bir grup 0.1 uF kapasitör serpmek yerine, çeşitli 0.1 uF, 0.01 uF ve 0.001 uF kapasitörler kullanın. 0.1 uF kapasitörler daha fazla şarj sağlar, ancak parazit endüktansları 0.01 uF veya 0.001 uF kapasitörde göreceğinizden daha düşük bir frekansta devreye girer. Son ikisi çok fazla yük sağlamaz, ancak daha yüksek bir frekansa kadar bypass kapakları olarak düzgün çalışır. DSP'nin analogdan dijitale dönüştürücüsünde çalışan ancak orta düzeyde gürültü olan bir kart tasarımımız vardı.

Analogdan dijitale dönüşüm sisteminizdeki en zayıf nokta olacaktır. Dijital sistemin iyi çalışması için muhtemelen çok fazla çalışmanız gerekmeyecek. Ancak dikkatli değilseniz, ADC'nizde vasat gürültü performansı elde edersiniz. (Korkarım kişisel olarak bununla uğraşmak için fazla deneyimim yok; firmamızdaki diğer mühendisler düzeni ele alıyor, bu yüzden size söylediğim şey ikinci eldir.) Kara uçaklarının nasıl ele alınacağı tartışılan bir şeydir iki ayrı yaklaşım: tüm sistem için büyük bir zemin düzlemi kullanılıp kullanılmayacağı, ADC'de birbirine bağlanmış iki ayrı zemin düzlemi, bir analog + bir dijital ile karşılaştırılması - birincisi 8-10 bit sistemler için iyi ve duyuyorum daha yüksek bit sayımlarına (16bit veya daha yüksek) ulaştığınızda devrenin dijital / analog alanlarını ayırmak daha önemlidir.

Kart katmanlarının # üstünü gözden kaçırmayın. Yer ve güç uçakları sizin dostlarınızdır.


Bir dsPIC'in iki katmanlı bir tahta üzerinde kolayca çalışabileceğini düşünüyorum, sadece çok dikkatli bir düzen gerektiriyor. Ancak cevabınız açık ve netti.
Kortuk

Katılıyorum. 10kHz gerçekten o kadar hızlı değil. Zamanlarının yarısını 5kHz'lik bir kontrol döngüsü çalıştırarak geçiren 10MIPS PIC18'lerimiz ve geri kalan zamanımız başka şeyler yapıyor. Sadece 10MHz bir saate ve yüksek hızlı tasarım için neredeyse hiç özel düşünceye ihtiyaç duymazlar.
Rocketmagnet

4

Jambon radyosunda okuyun veya yardımcı olacak bir Ekstra Sınıf operatörü bulun. Bu sorunlarla her zaman çok daha yüksek frekanslarda ilgileniyoruz. Ayrıca neredeyse tüm ekipmanlarımızda DSP işlemeyi kullanıyoruz. Çevrimiçi AARL eğitim öğelerini veya QRZ'yi deneyin. Sorunları düzeltmek zor değil, ancak dikkat edilmesi gereken birçok olası sorun alanı var.
73, KF7BYU


3

Daha önce de belirtildiği gibi, PLL'li hızlı bir işlemci kullanabilir ve yine de kartınızda sadece 10kHz sinyalleriniz + 12MHz kuvars osilatör (CPU'ya yakın) kullanabilirsiniz. Bunu halletmek sorun olmayacak.

Birçok kişi (ben dahil) bir ARM7TDMI'da 48kHz stereo ses çıkışı yaptı (benim durumumda SPI bağlantılı bir SD karttan akış). RAM'den çalışan bir 50MHz ARM7'de yazılımda mp3 kod çözme gördüm (Flash'ta çalışırken bekleme durumları olabilir).

Belki bir mbed LPC1768 kartı (100MHz, çok hızlı ADC / DAC ve çip üzerinde PWM'ler, ucuz: 50 €) satın alın ve bir prototip yapın? Sadece bu yeterli değilse, diğer (daha pahalı ve zor) şeylerle oynamaya başlayın.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.