Moja droga do okiełznania szybkich sygnałów

Cykl ten opowiada o mojej coraz większej świadomości dotyczącej zjawisk falowych, a szczególnie dopasowania falowego. Zjawiska te nabierają coraz bardziej znaczenia w moim projekcie komputera TTL, ze względu na to, że będzie on zbudowany z wykorzystaniem szybkich układów cyfrowych.

Materiał ten ze względu na swoją obszerność został podzielony na trzy części. W tym artykule przedstawię moje wyniki testów dotyczących statycznych właściwości buforów cyfrowych z różnych rodzin TTL. Testy te rzucą światło na pewne ograniczenia i problem kompatybilności połączeń różnych rodzin układów cyfrowych.

W drugim artykule skupię się na szczegółowym wyjaśnieniu terminacji szeregowej, która będzie wieść prym w moim komputerze TTL. Przedstawię wady i zalety tego jednostronnego dopasowania. Mam wielką nadzieję, że dla wielu Czytelników terminacja ta zyska przy bliższym poznaniu.

W trzecim artykule przedstawię wyniki testów właściwości dynamicznych szybkich buforów cyfrowych. Omówiona tam analiza wyników pozwala wyciągnąć istotne wnioski, które z pewnością zmaterializuję w fizycznym projekcie mojego komputera. Testy te zostaną przeprowadzone przy użyciu płytki, w której nie zastosowano prawidłowych zasad projektowania dla szybkich sygnałów. Dzięki temu będzie można się przekonać, jakie dodatkowe problemy stwarzają płytki PCB, które są nieprawidłowo zaprojektowane.

Kalkulator TTL, czyli nie jest aż tak źle…

Gdy projektowałem mój kalkulator TTL wiedziałem, że problemy z kondycjonowaniem sygnałów nie będą istotne nawet na tak ogromnej, ośmiowarstwowej płycie PCB o wymiarach 720 mm × 500 mm. Falowa natura energii elektromagnetycznej nie dawała się tak jeszcze we znaki. Ale i tam, projektując tysiące połączeń między układami scalonymi przeważnie z serii 74LS, trzeba było być świadomym wielu problemów, gdy połączenia zaczęły przekraczać 40…50 cm. Kilka układów scalonych, szczególnie buforów, pochodziło z serii 74F przede wszystkim z powodu większej obciążalności prądowej ich wyjść. Tu dystans realnej ścieżki, która łączyła ten szybki układ z innymi obwodami musiał być możliwie jak najkrótszy. W niektórych obwodach udało się skrócić te długości połączeń układowych, w innych było to całkowicie awykonalne.

W przypadku kalkulatora zostało zastosowane tylko kilka zaleceń projektowych, które opierały się, a w zasadzie jedynie ocierały się o reguły HIGH-SPEED. Najczęstszym sposobem radzenia sobie z potencjalnymi problemami, które swe źródło mają w zjawiskach falowych (szczególnie gdy chodzi o niedopasowanie impedancyjne) było wstawienie szeregowego rezystora na wyjściu bramki, bufora czy innego funktora logicznego. Prezentuje to fotografia 1, na której w czerwonych ramkach zaznaczone są takie rezystory. Jednak tak naprawdę żadna ścieżka nie była w moim projekcie typową, prawdziwą linią długą. Czas narastania/opadania zbocza impulsu prostokątnego był dłuższy niż czas propagacji sygnału na ścieżce połączeniowej, przez którą ten impuls podążał. Jednak trzeba zdawać sobie sprawę, że falowa natura przekazywanej energii elektrycznej daje o sobie znać zawsze, nawet przy prądzie stałym, z tego względu, że energia w postaci fali elektromagnetycznej zawsze przekazywana jest bezprzewodowo.

Nie ma ostrej granicy, a tak naprawdę wyraźnej korelacji między czasem narastania/opadania zbocza sygnału prostokątnego a długością ścieżki, która jest prowadnicą tego sygnału od źródła do obciążenia. Gdybyśmy rozpatrywali przebieg sinusoidalny, to teoretycznie problemy związane z niedopasowaniem impedancyjnym dają o sobie już w jakimś stopniu znać, gdy ścieżka jest dłuższa, niż 1/10 długości fali λ przebiegu (współczynnik λ/10).

Jednak w technice cyfrowej nie występują przebiegi sinusoidalne tylko przebiegi prostokątne. Jak wiadomo przebiegi prostokątne zbudowane są z wielu sinusoidalnych harmonicznych. Takim książkowym, wzorcowym przykładem jest przebieg prostokątny o wypełnieniu równym 50%. Gdy rozmontujemy taki przebieg na czynniki pierwsze dzięki transformacji Fouriera – okaże się, że składa się on z nieskończenie wielu nieparzystych harmonicznych. Oprócz tego amplituda każdej z tych harmonicznych jest o 1/n razy mniejsza od przebiegu podstawowego (pierwszej harmonicznej), gdzie n to numer nieparzystej harmonicznej. I tu zaczyna się problem z wyznaczaniem częstotliwości takiego przebiegu, bo jak wyznaczyć realną częstotliwość przebiegu, który składa się z wielu składników sinusoidalnych? Przyjęło się, a w zasadzie najczęściej stosuje się termin, który nosi miano częstotliwości efektywnej przebiegu prostokątnego. Wzór ten korzysta z trzeciej harmonicznej F_eff=0,35/t_r, gdzie t_r oznacza czas narastania/opadania zbocza impulsu prostokątnego. Dzięki temu wzorowi możemy w przybliżony sposób określić „częstotliwość” przebiegu prostokątnego, a wyznaczając częstotliwość automatycznie możemy określić również długość fali – jednak zawsze trzeba mieć świadomość, że to tylko pewne ułatwienie, przybliżenie.

Wracając do szeregowych rezystorów na wyjściu różnych funktorów logicznych w moim kalkulatorze – ich rezystancja waha się od 15 Ω do 33 Ω. Jednak funkcja tego rezystora nie jest bezpośrednio związana z terminacją szeregową, o której szerzej opowiem w następnym artykule. Funkcja tych rezystorów związana jest z łagodzeniem ostrych zboczy impulsów tak, aby zmniejszyć efektywną częstotliwość przebiegu prostokątnego. (…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w sierpniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2025 znajduje się tutaj.

Rafał Wiśniewski
rafi8112@interia.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze trzeba wpisać, który numer lub numery ZE mamy wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 8/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.