Wie hängt die Anstiegszeit mit der Bandbreite des Signals zusammen?

Angenommen, ich möchte die Anstiegszeit meiner digitalen Signalflanken begrenzen, um zu vermeiden, dass Übertragungsleitungseffekte auftreten.

Wie bestimme ich die maximale Frequenz der Harmonischen in meinem Signal, wenn ich weiß, dass meine Anstiegszeit beispielsweise 5 ns beträgt?

Wie bestimme ich die Eckfrequenz meines Tiefpassfilters, wenn ich weiß, dass die Haltezeit auf dem Empfängerchip beispielsweise 10 ns beträgt?

In Wikipedia habe ich die Formel gefunden

trifft es in diesem Fall zu?

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Ich habe mich nicht klar ausgedrückt, also werde ich versuchen, meine Gedanken zu erklären.

Angenommen, ich habe ein 30-MHz-Signal und meine Spurenlänge liegt deutlich unter 1/10 der Wellenlänge. Ich muss mich also nicht mit Übertragungsleitungseffekten befassen. Aber meine Kanten sind steil - 5ns. Dies fügt meinem Signal einige Hochfrequenzkomponenten hinzu, die möglicherweise unter Übertragungsleitungseffekten leiden.

Meine Idee ist, dass ich Kantenübergänge bis zu einem Punkt verlangsame, an dem ich mich nicht mehr mit Übertragungsleitungsphänomenen befassen muss. Die Frage ist zweifach:

• Wie berechne ich die schnellste Anstiegs- / Abfallzeit, die es mir mit der angegebenen Trace-Länge ermöglichen würde, meine Schaltung als "konzentriert" zu behandeln?
• Wie verlangsame ich die Anstiegs- / Abfallzeit?

Die Anstiegs- / Abfallzeit ist die Zeit, in der sich die Spannung von 10% auf 90% des Maximalwerts ändert. Ich weiß, wie man die ungefähre Signalgeschwindigkeit auf der FR4-Karte berechnet.

Es gibt keine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen Anstiegszeit und Bandbreite. Ein Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzer ist ein nichtlineares Filter und kann daher nicht direkt als Tiefpassfilter mit einer offensichtlichen Abrollfrequenz charakterisiert werden. Denken Sie im Zeitbereich daran, und Sie können sehen, dass eine Anstiegsgeschwindigkeitsgrenze Signale proportional zur Amplitude beeinflusst. Ein auf 5 V / µs begrenztes 5-Vpp-Signal kann keine kürzere Periode als 2 µs haben. Zu diesem Zeitpunkt degeneriert es zu einer 500-kHz-Dreieckswelle. Wenn die Amplitude jedoch nur 1 Vpp betragen muss, ist die Grenze eine 2,5-MHz-Dreieckwelle. Da das Konzept der Bandbreite weniger klar wird, wenn ein nichtlinearer Filter entwickelt wird, können Sie bestenfalls ungefähr darüber sprechen.

Ihre Antwort kann auch sehr unterschiedlich sein, je nachdem, was genau "Anstiegszeit" ist. Dies ist ein Begriff, der niemals ohne Qualifikation verwendet werden sollte. Sogar ein einfaches RC-Filter hat eine mehrdeutige Anstiegszeit. Seine Sprungantwort ist exponentiell, wobei kein Ort ein klares "Ende" ist. Die Anstiegszeit ist daher unendlich. Ohne eine Schwelle dafür, wie nahe am Ende Sie als gestiegen gelten müssen, ist der Begriff "Anstiegszeit" bedeutungslos. Aus diesem Grund müssen Sie entweder über die Anstiegszeit auf einen bestimmten Bruchteil des Endwerts oder über die Anstiegsrate sprechen .

Die Gleichung, die Sie aufstellen, ist daher einfach falsch, zumindest ohne eine Reihe von Qualifikationen. Vielleicht finden Sie diese auf der Seite, von der Sie sie erhalten haben, aber wenn Sie sie aus dem Zusammenhang heraus zitieren, ist sie falsch. Ihre Frage ist in der aktuellen Form nicht zu beantworten.

Hinzugefügt:

Sie sagen jetzt, dass das eigentliche Problem darin besteht, hohe Frequenzen von scharfen Kanten zu begrenzen, damit Teile des Signals nicht in den Frequenzbereich gelangen, in dem Ihr Draht zu einer Übertragungsleitung wird. Dies hat wenig direkt mit der Anstiegszeit zu tun. Da das eigentliche Problem der Frequenzinhalt ist, sollten Sie sich direkt darum kümmern. Der einfachste Weg ist wahrscheinlich ein RC-Tiefpassfilter. Stellen Sie den Wert so ein, dass er über der höchsten interessierenden Frequenz des Signals und deutlich unter der Frequenz abfällt, bei der Ihr System nicht mehr als konzentriert betrachtet werden kann. Wenn zwischen diesen kein Frequenzraum vorhanden ist, können Sie nicht das tun, was Sie wollen. In diesem Fall müssen Sie ein Signal mit geringerer Bandbreite oder eine kürzere Leitung verwenden oder sich mit den Übertragungsleitungsaspekten der Leitung befassen.

In Ihrem Fall sagen Sie, dass die höchste interessierende Frequenz 30 MHz beträgt. Stellen Sie den Filter also auf diese oder eine etwas höhere Frequenz ein, sagen wir 50 MHz, da dadurch Ihr gewünschtes Signal ziemlich intakt bleibt. Die Wellenlänge von 50 MHz beträgt 6 Meter im freien Raum. Sie haben nicht gesagt, welche Impedanz Ihre Übertragungsleitung hat, aber die Ausbreitung ist halb so hoch wie die Lichtgeschwindigkeit, wodurch eine Wellenlänge von 3 Metern auf dem Draht verbleibt. Um ziemlich sicher zu sein, wenn Sie nur Probleme mit der Übertragungsleitung ignorieren, möchten Sie, dass der Draht eine Wellenlänge von 1/10 oder weniger hat, was 300 mm oder etwa einem Fuß entspricht. Wenn der Draht also einen Fuß oder weniger lang ist, können Sie einen einfachen RC-Filter mit 50 MHz hinzufügen und ihn vergessen.

Übertragungsleitungseffekte treten nicht plötzlich bei einer magischen Wellenlänge im Verhältnis zur Drahtlänge auf. Wie lang also zu lang ist, ist eine Grauzone. Bis zu 1/4 Wellenlänge kann oft kurz genug sein. Wenn es "lang" ist, ist es am besten, einen impedanzgesteuerten Treiber und einen Abschlusswiderstand am anderen Ende zu verwenden. Dies ist jedoch umständlich und dämpft das Signal um die Hälfte. Sie beschäftigen sich entweder mit der niedrigeren Amplitude am Empfänger oder verstärken sie am Sender, bevor sie durch die Ansteuerimpedanz und die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung geteilt wird.

Eine einfachere Lösung, die einige experimentelle Anpassungen erfordern kann, besteht darin, einfach einen kleinen Widerstand in Reihe mit dem Treiber zu schalten und damit fertig zu sein. Dadurch entsteht ein Tiefpassfilter mit der Kapazität des Kabels und der anderen Streukapazität. Es ist nicht so vorhersehbar wie ein absichtlicher RC, aber viel einfacher und oft gut genug.

Diese Formel nennen wir normalerweise die Kniefrequenz. Es basiert auf der Anstiegszeit des Signals von 10% bis 90% und wird normalerweise als Annäherung verwendet, um uns mitzuteilen, welche Frequenz von höchstem Interesse in einem von uns verwendeten digitalen Signal am höchsten sein könnte. Oder besser gesagt, wo der größte Teil des Hochfrequenzenergiegehalts dieses Signals gefunden werden kann. Wenn Ihr Kanal diese Bandbreite passieren kann, werden Sie theoretisch keine Verschlechterung des Anstiegs oder Anstiegs des Signals feststellen. Natürlich gibt es in der Praxis auch andere Dinge wie Reflexionen, die Ihr Signal beeinflussen können. Hier ist Tom D von Mentor, der eine gute Erklärung auf SI-LIST gibt.

Mich würde mehr interessieren, welche Länge und welches Material für deinen Kanal verwendet werden. Ist es lang genug, dass Sie Übertragungsleitungseffekte berücksichtigen müssen (länger als eine viertel Wellenlänge, manche würden sagen, 1/6 Wellenlänge). Ich weiß nicht, was Sie von Ihrem Beitrag aus tun, also versuche ich nur, allgemeine Ratschläge zu geben. Der Versuch, die Anstiegszeit auf irgendeine Weise zu verlangsamen, wenn Sie sie nicht benötigen, ist an und für sich keine schlechte Idee, vorausgesetzt, Ihr Fahrer kann die von Ihnen verwendete Filterlast bewältigen, ohne zu explodieren.

Warum nicht einfach sicherstellen, dass Sie eine ordnungsgemäße Übertragungsleitungsstruktur / ein ordnungsgemäßes Kabel verwenden und ordnungsgemäß terminieren? Ich bin sicher, Sie haben Ihre Gründe für Ihr Projekt, also nur einen Vorschlag;)

Die von Ihnen angegebenen Formeln werden für das BW von Signalen verwendet, die an der Emission von Kanten beteiligt sind. Und es sind einige Annahmen eingebaut, wie zum Beispiel: Die meisten digitalen Signale im mittleren Schwung sehen aus wie eine Stromquelle in einem Kondensator (dh einer linearen Rampe), die sich oben und unten verjüngt. Es ist auch gültig, dies für Ihre Übertragungsleitung zu verwenden, um Reflexionen usw. zu berücksichtigen und abzurollen.

Es spricht jedoch nicht für Harmonische, die ~ 1 / t (Anstieg) betragen. Das heißt, Sie sehen diese 200-MHz-Sporen im Spektrum.

Für den Empfänger müssen Sie das Augendiagramm betrachten, um sicherzustellen, dass Ihre Haltezeiten eingehalten werden. Und dies ist ein Zeitbereichsszenario. Sie können also Schaltungselemente enthalten, die Ihr Timing einhalten und auf der Frequenzseite nicht sichtbar sind. Ihr BW kann also verwendet werden, um Dinge in seiner Interaktion mit der Haltezeit zu beschreiben, aber Sie können die Haltezeit nicht unbedingt direkt aus dem BW ableiten. Modellier- oder Prüfstände sind hier der richtige Weg.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich alle Beiträge vollständig gelesen habe, aber in Bezug auf den ursprünglichen Beitrag (von dem Typ mit der Anstiegszeit von 5 ns). Sie sollten Bücher von Dr. Howard Johnson oder Lee Ritchey lesen. Sie erklären dies im Detail.

Versuchen Sie nicht, das Signal zu verlangsamen. Dies ist nur unter besonderen Umständen erforderlich.

Wenn Sie aus dem theoretischen Dreck herauskommen und eine praktische Lösung finden möchten, können Sie dies verwenden: Wenn die Länge der Spur länger als 1/5 der Flugzeit ist, die durch die Anstiegszeit der Kante dargestellt wird, haben Sie eine Übertragungsleitung und brauchen Kündigung. In einem praktischen Fall beträgt die Laufzeit unter Verwendung von FR4 oder einem äquivalenten Material mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 4 bis 4,6 etwa 5,5 Zoll pro Nanosekunde. Für eine Anstiegszeit von 5 ns haben Sie einen Kantenübergang, der etwa 27,5 Zoll lang ist. Wenn Sie 1/5 davon nehmen, erhalten Sie 5,5 Zoll. Wenn Ihre PWB-Kurve länger als 5,5 Zoll ist, sollten Sie einen Serienabschlusswiderstand verwenden, um die Impedanz anzupassen (für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung).

Wenn Sie 50-Ohm-Spuren haben, sollte der Widerstand 50 Ohm abzüglich der Quellenimpedanz des Treibers betragen (für den Abschluss der reflektierten Wellenreihe). Beginnen Sie mit einem 20 Ohm Widerstand. Wenn Sie ein übermäßiges Überschwingen bekommen (mehr als 5%), vergrößern Sie es, wenn Sie eine abgerollte Kante bekommen, verkleinern Sie es. Es muss nicht perfekt sein, um gute Ergebnisse zu erzielen. Verwenden Sie im Idealfall die Hyperlynx-Software, um jedes Mal perfekte Ergebnisse zu simulieren und nahezu zu erzielen.

Übrigens ist diese Gleichung .34 / Trise eine gültige Gleichung für praktische Anwendungen. Die Anstiegszeit wird im Allgemeinen als die Zeit von 10% bis 90% der Signalspannung vereinbart (Ausnahmen gelten nicht für das, was Sie tun). Verwenden Sie .5 / Trise, um Ihre Designs konservativer zu gestalten.