Moja konfrontacja z szybkimi sygnałami cyfrowymi
Cykl ten opowiada o moich badaniach szybkich sygnałów cyfrowych przy pomocy płytki testowej, która została zaprojektowana w świadomy sposób, zgodnie z zasadami HIGH-SPEED. Wyciągnięte wnioski praktyczne, podparte teorią, pomogą mi prawidłowo zbudować komputer TTL.
Prezentowany materiał, ze względu na swoją obszerność został podzielony na sześć części. W poniższym, pierwszym wykładzie przedstawię zamysł 4-warstowej testowej płytki PCB, przeznaczonej do różnego rodzaju testów. Scharakteryzuję też z odpowiednimi szczegółami technicznymi linię mikropaskową, ponieważ na tej płytce wszystkie linie transmisyjne są mikropaskami.
W drugim artykule w przystępny sposób scharakteryzuję pojęcie linii długiej. Ponadto udowodnię, że ścieżki prowadzone pod kątem 90° nie wpływają realnie na sygnały o zboczach trwających pojedyncze nanosekundy. Omówię też kwestię wykonywania pomiarów za pomocą sond oscyloskopowych.
W trzecim artykule przedstawię i omówię towarzyszące zjawiska dotyczące sygnałów przesyłanych po liniach mikropaskowych o różnej długości. Linie te będą obsługiwać różne rodzaje szybkich driverów, jak również szybkie funktory logiczne. W tych testach będę stosować domyślną terminację szeregową, lecz zaprezentuję też kształty impulsów przy jej braku.
W czwartym artykule omówię teorię dotyczącą prawidłowego odsprzęgania zasilania szybkich układów cyfrowych. Postaram się odpowiedzieć w przejrzysty sposób na następujące pytania:
Dlaczego kondensatory odprzęgające są niezbędne?
Czy stosowanie wielu pojemności odprzęgających o różnych wartościach jest korzystniejsze niż stosowanie wielu pojemności o tym samym nominale?
Czy sposób rozmieszczenia kondensatorów odsprzęgających na płytce PCB ma znaczenie?
W jaki sposób zamontować kondensator odsprzęgający, aby był jak najbardziej skuteczny?
Jakie realne korzyści osiągniemy dzięki pojemności międzypłaszczyznowej?
Czy zwiększanie względnej przenikalności elektrycznej εr laminatu niesie ze sobą jakieś realne korzyści?
Zaprezentuję przy pomocy oscylogramów, z jaką skutecznością działa odsprzęganie zasilania różnych układów scalonych na mojej płytce testowej.
W piątej części swojego cyklu skupię się na omówieniu zjawiska Ground Bounce. Przedstawię wizualne pomiary tego zjawiska za pomocą oscyloskopu, przy różnej liczbie jednocześnie przełączanych wejść szybkich buforów i funktorów logicznych. Zaprezentuję testy uwzględniając najgorsze warunki wejściowe. Testy, które wykażą czy zjawisko to spowoduje błędne stany logiczne w odbiornikach kombinatorycznych i sekwencyjnych.
W ostatniej, szóstej części zajmę się omówieniem teorii przesłuchów. Przedstawię różne konfiguracje dzięki testowej płytce PCB. Konfiguracje te pokażą, od jakich czynników zależy przesłuch. Dzięki wykorzystaniu oscyloskopu zaprezentuję też kształty powstałych impulsów, które skonfrontuję z teorią. Przeprowadzę też testy przy największym uzyskanym przesłuchu na ścieżce ofiary i dzięki temu spróbuję przełączyć stan binarny w sekwencyjnym układzie logicznym.
Kwestie organizacyjne
Ze względu na to, że niektóre rysunki i zdjęcia osadzane w czasopiśmie zawsze w jakimś stopniu tracą na jakości (ponieważ natywnie nie posiadają aż takiej rozdzielczości jaka jest wymagana do tego typu publikacji), na indywidualne życzenie, osobom zainteresowanym tematem mogę podesłać oryginalne pliki, które będą bardziej czytelne i przejrzyste. Dysponuję też plikami produkcyjnymi płytki PCB (GERBERY), które chętnie udostępnię. Posiadam również cztery płytki PCB, które mogę podesłać zainteresowanym – lecz proszę się ze mną skonsultować w tej sprawie, czy aktualnie w chwili czytania tego artykułu będę je jeszcze miał.
Ze względu na obszerność całej publikacji, różne kwestie i zagadnienia, które poruszam w danym odcinku nie muszą być i często nie będą wyjaśniane akurat w bieżącym odcinku. Czytelnik może zawsze spojrzeć na powyższy harmonogram i zorientować się, w której części cyklu dany temat będzie bardziej szczegółowo wyjaśniony. Również ze względu na ograniczoną ilość miejsca w danym numerze ZE, nie będę kopiował tych samych rysunków z innego artykułu do artykułu bieżącego. Będę natomiast zawsze podawał informację, gdy zajdzie taka potrzeba, w której części cyklu znajduje się dany rysunek. W związku z tym, dla lepszej swobody zalecam lekturę kilku artykułów tego cyklu i przeskakiwanie między oknami. Oczywiście będzie to miało największy sens, kiedy już wszystkie części zostaną ostatecznie opublikowane. Może też zaistnieć realna potrzeba zajrzenia do mojego poprzedniego cyklu Moja droga do okiełznania szybkich sygnałów, opublikowanego w trzech częściach w ZE2508, ZE2509 i ZE2510.
Idea pomysłu
Projektuję bardzo rozbudowany autorski komputer na układach TTL. Do tej pory, z małymi przerwami opracowywałem architekturę, instrukcję procesora, ogólną i bardzo szczegółową zasadę działania poszczególnych bloków, modułów, rozbudowane schematy ideowe i wszystko, co związane z przekuwaniem pomysłów w umyśle na papier. Dotychczasowe małe przerwy, o których wspomniałem, to czas, kiedy zastanawiałem się nad fizycznym modelem komputera. Zastanawiałem się nad problemami, jakie mogą się pojawić przy takim wielkim projekcie. Rozprawiałem z samym sobą na temat rozwiązań układowych, kwestii zasilania, skutecznego i cichego odprowadzania ciepła, jak i na temat fizycznych, wielkich, wielowarstwowych płyt PCB, dzięki którym wszystkie obwody poskładam w jedną całość niczym wymyślną budowlę z klocków LEGO. I tu zaczyna się problem. Problem związany z tym, że na papierze – na schemacie blokowym, ideowym wszystko jest klarowne i takie oczywiste…
Każdy elektronik wie, że kartka wszystko przyjmie. Na schemacie ideowym nie widzimy bezpośrednio rezystancji wszystkich połączeń między elementami, a tym bardziej nie widzimy elementów, które są pasożytami, i które mniej lub bardziej wpływają na pracę poszczególnych obwodów. Ale to jeszcze nie wszystko, bo zazwyczaj w czasie tworzenia schematu nie myślimy o tym, że prędkość przekazywania energii elektrycznej ma skończoną wartość. Na schematach każde połączenie przynajmniej wstępnie traktujemy jako idealne z natychmiastowym przekazywaniem energii. Zakładamy, że każde połączenie nie wprowadza żadnego opóźnienia sygnału, a tym bardziej nie zniekształca przebiegów niezależnie od jego długości i parametrów szybkozmiennych sygnałów…
(…)
——– ciach! ——–
To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w listopadowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 11/2025 znajduje się tutaj.
Rafał Wiśniewski
rafi8112@interia.pl
Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.
