Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 14 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Революционная технология лазерной резки полупроводниковых пластин Laser MicroJet

В статье рассказывается о преимуществах лазерной технологии Laser MicroJet в сравнении с другими технологиями, предназначенными для резки полупроводниковых пластин.

Путь к новому поколению силовых модулей — отказ от паяных соединений

Надежность традиционных силовых модулей, технология сборки которых основана на применении различных видов пайки, становится недостаточной для удовлетворения требований современного рынка силовой электроники. В статье рассматривается несколько новых технологий, направленных на повышение показателей надежности таких узлов. Внедрение этих инновационных методов привело к появлению модулей принципиально новой конструкции, использование которых позволяет существенно расширить диапазон их возможных применений.

Каким должен быть современный программатор

На примере продукции словацкой фирмы Elnec в статье рассказывается о функциях, которыми должны обладать современные программаторы

 

15 сентября

Соединение АЦП и микроконтроллеров через протяженные линии передачи

В статье рассматриваются факторы, имеющие критическое значение при создании быстродействующих систем с межплатными соединениями. До сих пор таким соединениям не уделялось должного внимания, поскольку не предполагалось, что они могут оказать влияние на системы дистанционных измерений.





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
16
Ра
з
Раб
о
тк
а
и
к
онс
т
Р
уи
Р
ование
www. elcp.ru
В статье рассматриваются факторы, имеющие критическое значе-
ние при создании быстродействующих систем с межплатными соедине-
ниями. До сих пор таким соединениям не уделялось должного внимания,
поскольку не предполагалось, что они могут оказать влияние на системы
дистанционных измерений.
соединение аЦП
и микРоконтРоллеРов чеРез
ПРотяженные линии ПеРедачи
Бонни Бейкер (Bonnie Baker), ст. специалист по применению, Texas Instruments
Джон Ч. Ву (John Z. Wu), ст. специалист по применению, Texas Instruments
В настоящее время для построе-
ния высокопроизводительных систем
доступно множество готовых преци-
зионных устройств. В таких системах
первостепенное значение имеет раз-
работка схемы и ее компоновка. Однако
в случае систем с несколькими платами
критическим этапом разработки печат-
ных плат может оказаться межплатное
соединение.
Подключить «медленный» АЦП с так-
товой частотой 2,25 МГц к микрокон-
троллеру (МК) с помощью короткого
кабеля длиной в 1 м несложно. Однако
несовершенное межплатное соедине-
ние способно погубить превосходную
разработку с использованием самых
лучших компонентов.
На рисунке 1 видно, что одноме-
тровый кабель CAT-5 соединяет АЦП
ADS8326 с регистром последовательных
приближений и МК, представленный
платой оценочного модуля с микро-
схемой MSP430. ADS8326 представля-
ет собой микромощный 16-разрядный
быстродействующий АЦП с напряжени-
ем 2,7...5,5 В. Системная тактовая чистота
этого устройства находится в интервале
24 кГц...4,8 МГц. Низкое энергопотребле-
ние и небольшие размеры АЦП позво-
ляют применять его в мобильных систе-
мах и системах с автономным питанием.
Платформа MSP430, состоящая из 16-раз-
рядных RISC-контроллеров смешанного
сигнала и со сверхнизким энергопотре-
блением, обеспечивает решения для 8-
и 16-разрядных приложений с питанием
от батарей или встраиваемых измери-
тельных устройств.
МК передает сигнал синхронизации
с частотой 2,25 МГц и сигнал выбора
кристалла (CS) по кабелям CAT-5 на АЦП
(см. рис. 2), после чего АЦП отправляет
преобразованные данные в МК.
Из-за низкой тактовой частоты про-
блемы согласования волнового сопро-
тивления линии связи между двумя
этими устройствами поначалу не были
очевидными. Неожиданно выяснилось,
что передача данных между этими двумя
платами в сочетании с несогласованны-
ми характеристическими импедансами
привела к существенным ошибкам, обу-
словленным мешающими отражениями,
в контуре длиной 1 м. Эти отражения
искажают сигналы синхронизации и дан-
ных между платами.
На рисунке 3 показано, что происхо-
дит при недооценке согласования вход-
ных импедансов линии передачи между
двумя платами. CH1 представляет собой
канал сигнала 2,25-МГц синхронизации,
передаваемого по цепи со стороны МК
на плату АЦП. АЦП использует этот сиг-
нал для синхронизации данных, которые
передает обратно МК. CH4 представляет
собой канал данных, полученных МК от
АЦП. На рисунке видно, что искажение
сигнала превосходит верхние и нижние
Рис. 1. Физическая компоновка плат ADS8326EVM и MSP430F449, подключенных с помощью витой пары
длиной 1 м
Рис. 2. Сигналы синхронизации и выбора микросхемы передаются по витой паре CAT-5 от МК к преобразо-
вателю данных. Этот кабель дополняет интерфейс SPI, передавая сигнал данных от АЦП обратно в МК
background image
Ра
з
Раб
о
тк
а
и
к
онс
т
Р
уи
Р
ование
17
электронные компоненты №9 2008
пороговые значения, причем наблюда-
ются значительные выбросы — положи-
тельный и отрицательный — на заднем
фронте импульса. У этих сигналов лож-
ные фронты, или «звон», а также сни-
женные пределы рабочих параметров.
Наблюдая эту цепь со стороны АЦП, мы
видим те же эффекты.
Для устранения затухающих колеба-
ний в первую очередь снижается такто-
вая частота. Это решение может оказать-
ся вполне удачным, но может привести к
значительным трудностям, как в данном
примере. Зачастую инженеры исходят
из убеждения в том, что тактовая частота
определяет тип реализуемой печатной
платы и игнорируют время нарастания,
спада или переключения синхроим-
пульса. Однако для устранения отрица-
тельных эффектов линии передачи дан-
ных следует определить максимальную
частоту сигнала на основе длительности
фронтов импульсов, а не их частоты.
эффектиВная раБоЧая Частота
В высокопроизводительных систе-
мах с межплатными соединениями
необходимо обращать внимание на
проблемы с протяженными линия-
ми передачи сигналов, связанные с
отражением сигнала и согласован-
ной нагрузкой. Фактическая тактовая
частота определяет частоту синхро-
импульсов или скорость обмена дан-
ными в приложении. В рассматри-
ваемой тестовой схеме эта частота
составляет 2,25 МГц. Эффективная
рабочая частота (Effective Operating
Frequency, EOF) определяется следу-
ющим образом:
,
где EOF сигнала совпадает с EOF системы,
время t
RISE
— время нарастания сигнала,
а t
FALL
— время его спада. Формула 1
определяет время нарастания и спада
сигнала.
t
RISE
или t
FALL
= t
90%
— t
10%.
(1)
Для расчета наиболее неблагопри-
ятного варианта следует использовать
самое малое значение из t
RISE
и t
FALL
.
При определении времени нарас-
тания на монтажном стенде следует
учитывать ограничения, накладывае-
мые испытательным оборудованием.
По результатам наблюдения за изо-
бражением на экране осциллографа
можно вычислить время нарастания и
спада сигнала переключения, а также
EOF. Например, если измеренное время
нарастания сигнала составляет 2 нс, EOF
равна 175 МГц.
Рассчитаем ошибки, возникающие
из-за оборудования, с помощью фор-
мулы для вычисления среднеквадратич-
ного значения. Например, пусть полоса
пропускания пробника осциллографа
равна 500 МГц, а полоса пропускания
осциллографа — 350 МГц. Измеренное
время нарастания сигнала в 2 нс с уче-
том упомянутых выше ограничений для
оборудования фактически равно 1,6 нс.
.
2
2
2
350
35
,
0
500
35
,
0
)
2
(
35
,
0
=
SYSTEM
EOF
=
.
Таким образом, частота сигнала пере-
ключения составляет 221 МГц. Это намно-
го выше реальной рабочей тактовой
частоты АЦП (2,25 МГц) и ранее вычис-
ленной частоты EOF, равной 175 МГц.
Многократные отражения
После определения EOF системы
следует охарактеризовать соединение
между МК и АЦП, вычислив критическую
длину рассматриваемой линии переда-
чи. В тестовой системе время нараста-
ния сигнала, задержка распространения
и длина кабеля взаимосвязаны.
Задержка распространения — это
время, необходимое для прохожде-
ния сигнала от драйвера к приемни-
ку. Основная задача при разработке
быстродействующей печатной платы
состоит в том, чтобы эта задержка была
меньше времени нарастания или спада
сигнала.
Если время задержки распростра-
нения сигнала не превышает 1/7 от
t
RISE
, соединение моделируется в виде
индуктивно-емкостной
пи-модели
(LC-пи-модель). Если t
RISE
больше задерж-
ки распространения, для моделиро-
вания линии передачи межплатного
соединения используется теория элек-
тромагнитных волн микроволнового
диапазона. В случае если линия все еще
достаточно короткая, сигнал нарастает в
течение времени задержки, и отражение
становится частью нарастающего фрон-
та. При более длинных линиях задерж-
ка распространения может превышать
время нарастания сигнала, а отражения
представляют собой положительный
и отрицательный выбросы на заднем
фронте импульса.
Время задержки распространения
(TPD) пропорционально относительной
диэлектрической постоянной витой
пары, или:
(2)
[1]
Для провода AWG 24 характерное
значение TЗР приблизительно равно
134 пс/дюйм. Поскольку длина кабеля
превышает 1,68 дюйма, а время пере-
ключения сигнала меньше 1,6 нс, то для
анализа кабеля используется модель
линий передачи.
В теории линий передачи напряже-
ние и ток могут изменяться по ампли-
туде и по фазе как функция координаты.
Величина Z
O
представляет собой харак-
теристический импеданс линии пере-
дачи бесконечной длины или идеально
согласованной линии.
Формула характеристического импе-
данса для витой пары выглядит следую-
щим образом:
(3)
где Er — относительная диэлектриче-
ская постоянная кабеля.
Рис. 3. МК генерирует синхросигнал преобразования (CH1) и передает его на АЦП. Затем МК получает пре-
образованные данные от АЦП по каналу CH4
background image
18
Ра
з
Раб
о
тк
а
и
к
онс
т
Р
уи
Р
ование
www. elcp.ru
Величина Er определяется диэлек-
трической проницаемостью изолято-
ра и воздушного промежутка кабеля.
Расстояние между проводами обозна-
чается D, а диаметр проводов кабе-
ля — a. Для кабеля AWG 24 расстояние
D составляет 0,038 дюйма; диаметр a
равен 0,02 дюйма; Er равна 2,5, а Z
O
101 Ом. Характеристический импе-
данс линии передачи существенно
влияет на переходную характеристи-
ку проходящего по этой линии сиг-
нала.
Коэффициент отражения по напря-
жению (Г) равен отношению амплиту-
ды отраженной волны напряжения к
амплитуде падающей волны напряже-
ния. Z
L
представляет собой импеданс
нагрузки.
(4)
Если нагрузка не согласована с
линией передачи, то падающая волна
отразится на границе между линией и
нагрузкой. Следовательно, подавае-
мая на нагрузку мощность снизит-
ся — возникнут потери на отражение,
или R
L
.
В рассматриваемой тестовой
системе драйвер (МК) имеет внутрен-
нее сопротивление источника 20 Ом.
Характеристический импеданс кабе-
ля (Z
O-430
) близок к 100 Ом, а входной
импеданс приемника (АЦП) составля-
ет 1 ГОм. Выходной импеданс драйве-
ра (Z
O-8326
) может изменяться согласно
текущей потребности или варьиро-
ваться в зависимости от устройства.
Входной импеданс приемника (Z
L-8326
)
может превышать 1 ГОм. Если Z
L
при-
нимает бесконечное значение, то
коэффициент отражения равен еди-
нице.
Цифровой нарастающий фронт сиг-
нала проявляет себя в точности так же,
как сигнал переменного тока. Когда
сигнал переменного тока достигает
конца линии передачи с несогласо-
ванностью между импедансом Z
O
и
импедансом оконечной согласующей
нагрузки Z
L
, часть волны (до 100 % при
единичном коэффициенте отражения)
отражается.
При обратном отражении волны
она, в конечном счете, достигает своего
источника. Если существует несогласо-
ванность между Z
O
и импедансом источ-
ника Z
S
, волна снова частично отража-
ется. Наложение этих отраженных волн
может привести к существенному ухуд-
шению сигнала.
На рисунке 4 коэффициент отраже-
ния на приемном конце линии равен
единице, а коэффициент отражения на
стороне драйвера равен –0,8. По этим
двум численным значениям можно
вычислить точную амплитуду затухаю-
щих колебаний в любой момент вре-
мени при распространении сигнала.
Начальный сигнал драйвера состав-
ляет 3,3 В.
Когда начинается передача сигнала
(см. рис. 4), 3,3-В сигнал со стороны
МК передается на АЦП. При появлении
этого сигнала напряжение на МК равно
2,75 В, что обусловлено коэффициентом
отражения –0,8 в интерфейсе МК. По
истечении времени задержки распро-
странения TPD сигнал с напряжением
5,5 В появляется на интерфейсе АЦП. На
приемном конце линии коэффициент
отражения равен единице. По истече-
нии двух периодов задержки распро-
странения сигнал снова появляется на
интерфейсе МК. Когда сигнал появля-
ется на МК, его амплитуда составляет
3,2 В. По истечении трех периодов вре-
мени задержки распространения 0,9-В
сигнал появляется на интерфейсе АЦП.
Рисунок 5 иллюстрирует отражение и
затухание сигнала на драйвере МК и
приемнике АЦП.
ослаБление нежелательных
эффектоВ с поМощью
оконеЧной согласоВанной
нагрузки
Оконечная согласованная нагрузка
требуется, когда суммарная задержка
распространения сигнала в обе сторо-
ны равна или превышает время нарас-
Рис. 4. Сигнал отражается между контактными выводами МК и АЦП
Рис. 5. Теоретический вид временной диаграммы отражений сигнала (слева) и диаграмма фактического
затухания сигнала на приемнике АЦП и драйвере МК (справа)
* Примечание. Обращаем внимание читателей на то, что автор допустил ошибку при расчете этого парамера в соответствии с формулой 4. На
самом деле его значение должно быть равным –0,67.
background image
background image
20
Ра
з
Раб
о
тк
а
и
к
онс
т
Р
уи
Р
ование
www. elcp.ru
Рис. 6. Модель линии передачи, изображенной на
рис. 1
Рис. 7. Вопрос оконечного согласования решен в этой схеме путем последовательного включения рези-
стора и конденсатора на стороне приемника канала передачи
Рис. 8. Снимок экрана осциллографа со стороны МК показывает, что целостность сигнала по сравнению с
его состоянием на рис. 3 улучшилась
тания сигнала, то есть 2 · T
PD
≥ t
RISE
. Если
импеданс источника не согласован, сиг-
нал на нагрузке искажается. Таким обра-
зом, если задержка распространения
сигнала в кабеле превышает половину
времени t
RISE
, следует обеспечить согла-
сованную нагрузку кабелей. При пра-
вильном согласовании характеристиче-
ский импеданс соответствует импедансу
источника и нагрузки.
В схеме последовательного согла-
сования источника (см. рис. 6) рези-
стор драйвера согласуется с импедан-
сом кабеля (Z
C
) вместо согласования с
импедансом нагрузки (Z
L
). Поскольку
импеданс выхода драйвера не пре-
вышает 100 Ом, для согласования с
импедансом кабеля Z
C
к импедансу
источника сигнала следует добавить
последовательно включенный рези-
стор. В сущности, согласование нагруз-
ки лишь на одном конце линии переда-
чи зачастую оказывается достаточной
мерой и используется в большинстве
случаев.
Большинство проблем, связанных с
искажением синхросигнала и данных на
АЦП, можно устранить, если в той же
схеме (см. рис. 1) уделить достаточное
внимание процессу оконечного согла-
сования.
На рисунке 7 демонстрируется
решение по оконечному согласова-
нию тестового приложения. Снимок
экрана осциллографа на рисунке 8
показывает синхросигнал МК в канале
CH1 и возвращаемые из АЦП данные в
канале CH4.
В методе, проиллюстрированном
на рисунке 7, оконечное согласование
выполнено с помощью 100-Ом рези-
стора, включенного последовательно с
конденсатором 220 пФ. При согласова-
нии достигается минимальное потре-
бление мощности, поскольку ток течет
через согласующий резистор только
при зарядке конденсатора. Постоянная
времени RC-пары при согласовании в
три (или более) раза превышает время
нарастания сигнала, или t
RISE
. Поскольку
t
RISE
равно 1,6 нс, то 13,75 t
RISE
приблизи-
тельно равно 22 нс. Последовательно
подключаемый согласующий резистор
номиналом 80 Ом устанавливается со
стороны драйвера линии передачи, а
согласующая нагрузка устанавливается
на приемной стороне линии.
ВыВоДы
Несмотря на то, что тактовая частота
в рассмотренном тестовом приложе-
нии не превышала 30…40 МГц, для этой
быстродействующей системы потребо-
валось решить такие задачи длинной
линии передачи как отражение сигнала
и оконечное согласование. Мы рассмо-
трели проблемы, связанные с исполь-
зованием витой пары, и выяснили, что
даже при низкой тактовой частоте в
2,25 МГц возникают ошибки при пере-
даче сигнала между платами.
Кроме того, мы рассмотрели крити-
чески важные факторы для создания
быстродействующих систем с межплат-
ными соединениями. В ходе изучения
вопроса об оконечном согласовании
линии передачи сигналов выяснилось,
что максимальная частота определя-
ется на основе длительности фрон-
тов импульсов. Эти задачи решались
с использованием витой пары. При
анализе модели линии передачи стало
очевидным, что задержка распростра-
нения, превышающая 15% от времени
нарастания сигнала, определяет метод
согласования линии передачи.
Литература
1. High Speed Digital Design: A Handbook
of Black Magic, Howard Johnson, Prentice Hall,
1993.
2. Managing Signal Quality, Mentor
Graphics/Xilinx, 2005, www.xilinx.com/
publications/xcellonline/xcell_53/xc_ pdf/
xc_mentor53.pdf.
background image
background image
background image
Ра
з
Раб
о
тк
а
и
к
онс
т
Р
уи
Р
ование
23
электронные компоненты №9 2008
Новости беспроводНых техНологий
| БеспроВоДные тВ-пристаВки пояВятся (не оЧень) скоро |
Беспроводные технологии получают рас-
пространение в приставках для кабельного телевидения. До сих пор не ясно, какой тип технологии найдет
самое широкое применение, и когда он станет доступным. В прошлом компании, предоставляющие услуги
кабельного ТВ, а также их партнеры — поставщики приставок, заявляли, что не желают напрямую поддержи-
вать беспроводную связь из-за отсутствия необходимой безопасности и надежности при передаче высоко-
качественного контента. По их мнению, видео следует передавать по кабелю, а беспроводное подключение
использовать лишь для вспомогательных сетей передачи данных. Однако это представление, похоже, начинает
меняться.
Компания Cox разрабатывает архитектуру цифрового дома, которая, возможно, определится к началу
следующего года и станет использовать несколько технологий для домашних сетей, в т.ч. MoCA (мультиме-
дийные данные по кабелю) и разновидность WiFi.
Беспроводные технологии прокладывают дорогу к телеприемникам. Келли Дэвис-Фелнер (Kelly Davis-
Felner), директор по развитию альянса Wi-Fi Alliance, заявил на конференции Connections, что различные
компании, ориентирующиеся на «продвинутых» покупателей бытовой электроники, производят телепри-
емники с возможностями WiFi.
Все большее число компаний намеревается обеспечить беспроводную связь высокого качества между
дисплеями ЖКД ТВ и окружающими устройствами, например тюнерами и Blu-Ray. Однако специалисты скеп-
тично относятся к возможности получать доступ к интернету через телеприемник, считая, что она не най-
дет массового спроса. Стандарт WiMedia, разработанный альянсом в качестве версии UWB, был отвергнут
Джоном Сантоффом (John Santhoff ), соучредителем компании Pulse~Link, из-за того, что в этом стандарте
используется модуляция OFDM.
У WiFi- и 60-ГГц технологий тоже имеются свои недостатки: в основе WiFi заложен метод коллизии кадров,
что исключает возможность резервирования полосы пропускания для обеспечения гарантированного
качества обслуживания. 60-ГГц технология пока слишком дорога, т.к. для реализации связи с ее помощью
требуются 36 антенн и соответствующие компоненты по обработке сигнала.
www.russianelectronics.ru
Оцените материал:

Автор: Бонни Бейкер (Bonnie Baker), ст. специалист по применению, Texas Instruments; Джон Ч. Ву (John Z. Wu), ст. специалист по применению, Texas Instruments



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты