Каковы некоторые особенности дизайна высокочастотных плат?

Я хотел бы разработать печатную плату для аналогового контроллера контура .. что-то с A / D, D / A и процессором на борту. (Либо DSP, либо FPGA, я не решил.) Поскольку это должно модулировать аналоговые сигналы на частоте 10 кГц, он должен быть довольно быстрым процессором.

Насколько я понимаю, разработка платы для процессоров с частотой выше 150 МГц или около того может быть очень сложной из-за проблем с РЧ. Какой совет вы можете дать при разработке такой платы? Какие проблемы из-за макета могут возникнуть? Есть ли хорошие онлайн-ресурсы, для которых есть базы знаний?

Благодарю.

Если вы заинтересованы в высокоскоростном цифровом, получите копию High Speed ​​Digital Design .

Ключевые моменты:

• Основным определяющим фактором вашей цепи является время нарастания логики. Даже если вы работаете с низкой тактовой частотой, быстрые фронты могут создавать проблемы.
• Максимальное время нарастания вашей системы дает вам критическую длину вашей цепи. По сути, если задержка распространения вашего сигнала по длине цепи больше, чем время нарастания сигнала, вам нужно беспокоиться о высокочастотном аспекте проекта.
• Если оказывается, что критическая длина короче, чем схема, то вам нужно использовать схему контролируемого импеданса. Это включает:
  • Геометрия дорожки (ширина дорожки и высота над земной плоскостью), чтобы придать цепи определенный характеристический импеданс.
  • Завершение драйверов и / или приемников с характеристическим сопротивлением линии.

Используйте полную землю и мощность самолета. Обходные крышки ограничены индуктивностью, которая в основном определяется размером пакета, следами и переходными отверстиями. Поэтому выберите самый маленький размер пакета, с которым вы можете работать, а затем выберите самую большую емкость, которая не нарушит ваш бюджет. Если вам нужно больше обойти, увеличьте размер пакета на два и получите наибольшую емкость в этом пакете. При подключении колпачка к земле / силовым плоскостям используйте два переходных отверстия с каждой стороны каждой площадки; vias + cap будет выглядеть как H.

Разделение плоскостей может помочь изолировать аналоговые и цифровые сечения. Никогда не пересекайте плоскость раскола с трассировкой сигнала !!! Держите сигналы подальше от края доски. Держите сигналы как минимум в 2 раза дальше друг от друга, чтобы предотвратить перекрестные помехи (здесь полезно моделирование). Держите сигналы в 5 раз шире трассировки вдали от очень шумных сигналов (например, тактовых импульсов) или чрезвычайно чувствительных сигналов (например, аналоговых входов). При необходимости используйте заземленные ограждения вокруг шумных / чувствительных сигналов. Избегайте переходных отверстий и заглушек с шумными / чувствительными сигналами.

В идеале, используйте один провод заземления на сигнал в разъеме. Прекратите сигналы разъема, потому что они любят извергать EMI. Ферритовые шарики вокруг провода могут также помочь с шумом разъема. Не допускайте попадания сигналов под разъемы.

Земная плоскость позволяет создавать микрополосковые следы, которые имеют четко определенный импеданс. Вы также можете использовать согласующие резисторы, если ваш след длинный. Я думаю, что общее эмпирическое правило гласит, что для каждого нС времени нарастания можно пройти 2,5 "без согласующего резистора.

Используйте моделирование IBIS, чтобы определить, нужны ли вам согласующие резисторы. Современные FPGA имеют хорошие приемы для такого рода вещей; они могут контролировать силу выходного драйвера, иногда даже с помощью «Импеданса с цифровым управлением» (термин Xilinx для технологии). Моделирование IBIS помогает и здесь, при расчете подходящей силы привода.

Ознакомьтесь с огромным списком рассылки высокоскоростного цифрового дизайна доктора Говарда Джонсона. Действительно круто. http://www.sigcon.com/pubsAlpha.htm

Я очень мало знаю о скоростной компоновке. Но вот что я часто слышал: избегайте прямых углов для трасс сигналов (они вызывают отражения), располагайте плоскость заземления на как можно большей части вашей цепи и делите плату так, чтобы иметь схожие типы сигналов (низкий уровень сигнала). ускоряйте цифровое, высокоскоростное цифровое, аналоговое) в различных областях с помощью «точек дросселирования» на вашей плоскости земли, чтобы минимизировать помехи.

Что касается хороших онлайн-ресурсов, я бы предположил, что таблицы данных и апплоты для рассматриваемой вами DSP или FPGA будут иметь несколько полезных советов. Я помню, у Xilinx были хорошие вещи.

Чтобы обратиться к вашей заявке, а не к вопросу, который вы задали напрямую (другие ответы говорили об этом):

DSP на 10 кГц для контроллера петли не слишком быстр. (мы используем контуры управления 5 или 10 кГц для контроллеров двигателей) Я полагаю, что при наличии достойного устройства вы должны иметь возможность обрабатывать его с тактовой частотой 40-80 МГц, если это необходимо, и изящной вещью в новой серии ЦСП и микроконтроллеры в том, что они используют тактовые умножители с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), чтобы повысить тактовую частоту внутри, так что внешне на самом деле не должно быть никаких действительно быстрых сигналов. DSP серии TMS320F28xx (см. 28044 и 28235) имеют 5x PLL (полушаг от 0,5x до 5x), так что вы можете получить тактовую частоту 100 МГц с кристаллом 20 МГц.

Что касается цифровой стороны, то вам нужно больше всего следить за тем, чтобы вы обеспечили хорошую прочную пару плоскостей питания и заземления для вашего процессора, и убедитесь, что вы добавляете обходные конденсаторы как можно ближе к контактам питания процессора. Также вместо того, чтобы просто разбрызгивать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, используйте различные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, 0,01 мкФ и 0,001 мкФ. Конденсаторы 0,1 мкФ обеспечивают больший заряд, но их паразитная индуктивность проявляется при более низкой частоте, чем та, которую вы видите на конденсаторах 0,01 мкФ или 0,001 мкФ. Последние два не обеспечат такой большой заряд, но будут работать должным образом, как обходные ограничения на более высокую частоту. У нас была конструкция платы, которая работала, но имела небольшой уровень шума на аналого-цифровом преобразователе DSP.

Аналого-цифровое преобразование будет самым слабым местом в вашей системе. Возможно, вам не придется слишком много работать, чтобы цифровая система работала нормально. Но если вы не будете осторожны, вы получите посредственные шумовые характеристики на вашем АЦП. (Боюсь, у меня нет большого опыта лично разбираться с этим; другие инженеры в нашей компании занимаются компоновкой, поэтому то, что я вам говорю, - из вторых рук.) Как обращаться с наземными самолетами - это то, что утверждается два отдельных подхода: использовать ли одну огромную плоскость заземления для всей системы, в отличие от двух отдельных заземляющих плоскостей, один аналоговый + один цифровой, связанных на АЦП - первый подходит для 8-10-битных систем, и я слышал, разделение цифровых / аналоговых областей схемы является более важным, когда вы получаете большее число битов (16 бит или выше).

Не экономьте на # слоях доски. Земля и силовые самолеты - ваши друзья.

Читайте по радио или найдите оператора Extra Class, чтобы помочь. Мы имеем дело с этими проблемами все время на гораздо более высоких частотах. Мы также используем обработку DSP почти на всем нашем оборудовании. Попробуйте учебные материалы AARL онлайн или QRZ. Проблемы не так сложно исправить, но есть много проблемных областей, на которые стоит обратить внимание.
73, КФ7БЮ

Как уже упоминалось, вы можете использовать быстрый процессор с ФАПЧ и при этом иметь на плате только ваши сигналы 10 кГц + кварцевый генератор 12 МГц (рядом с процессором). Выложить это не будет проблемой.

Многие люди (включая меня) сделали вывод стереозвука 48 кГц на ARM7TDMI (потоковая передача с SD-карты, подключенной к SPI, в моем случае). Я даже видел декодирование mp3 в программном обеспечении на 50 МГц ARM7, работающем из ОЗУ (могут быть состояния ожидания при работе с Flash).

Может быть, купить плату mbed LPC1768 (100 МГц, очень быстрые АЦП / ЦАП и ШИМ на кристалле, дешево: 50 €) и сделать прототип? Только если этого недостаточно, начинайте играть с другими (более дорогостоящими и сложными) вещами.