Добрый день, буду признателен, если поможете разобраться с аналоговой частью, SPI и шиной SD-карты. Плата 4-слойная, на первом скриншоте обозначены основные компоненты: 1) микроконтроллер, 2) Wi-Fi-модуль, 3) SD-карта, 4) аналоговая часть, на которой располагаются операционники, компаратор, а также туда налезает цифровой потенциометр, 5) импульсные регуляторы напряжения, 6) линейные регуляторы для аналоговой части.

Соответственно меня интересуют следующие моменты.
1. Имеет ли смысл отделить аналоговую часть вырезом в земляном полигоне (виден на первом скриншоте, на перешейке располагаются линейные регуляторы, от которых запитываются операционники)?

2. Имеет ли смысл располагать компаратор на аналоговой земле? Дело в том, что к нему подходит проводник от термистора с верхней части платы (второй скриншот, толстая синяя линия под импульсниками). Как этот проводник не поведи, он будет лежать либо под импульсниками, либо нырять через скоростные цепи SPI, шину SD-карты. Да и выход компаратора возвращается обратно в верхнюю часть платы.

Тут же подвопрос: второй вывод термистора воткнуть в полигон земли как можно ближе к термистору или довести этот земляной проводник до компаратора?

3. SD-карту планирую запустить по параллельной шине на 48 МГц. Получится ли это с такой трассировкой (второй скриншот)? Нужны ли терминирующие резисторы в цепях тактирования или шины данных, имеет ли смысл проводить guard trace (как это по-русски)? Длина CLK — 29 мм, SD0 и SD1 — 37 мм, SD2 и SD3 — 31 мм.

4. На третьем скриншоте подсвечены две шины SPI: одна подключена к Wi-Fi модулю, частота тактирования — 20 МГц, а вторая подключена к разъему и цифровому потенциометру, частота тактирования — 40 МГц. По первому SPI вопрос, как и по шине SD-карты, про терминирующие резисторы.

Со вторым SPI посложнее. Длина проводников от микроконтроллера до разъема — около 70 мм, на разъем будет устанавливаться плата, которая добавит еще 50—60 мм к проводникам. Имеет ли смысл озаботиться согласующими резисторами на шине?

Цифровой потенциометр участвует в обратной связи операционника, не будет ли он шуметь, будучи подключенным к скоростному SPI? Какие есть способы уменьшить его влияение?

Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Нет смысла вести параллельные дорожки так близко, зазор нужен хотя бы в 2 толщины, + 5 минут на выравнивание.

почитайте блэк маджик.
далее только советы

аналоговая часть должна иметь входы и выходы "в аналоговой части". Т.е. места привязки всех сигналов располагаются в аналоговой земле. если вход где-то там, то смысла разделять нет. Вам нужно еще питание аналоговой части бы отделить от самой аналоговой части, чтобы токи питания не проходили вместе с сигнальными токами.


сигнал на входе компаратора низковольтный, порог срабатывания, гистерезис, быстродействие, требуемое от компаратора. "Зафильтруйте" вход компаратора да и все.


посчитайте длину волны фронта сигнала, если расстояние меньше 0,1 от этой длины, то ничего не надо, иначе - желательно согласовывать хотя бы на стороне передатчика. меня лично не обламывает и на 16МГц ставить резисторы при длине от 5 см.


отключайте SPI от потенциометра или программно останавливайте его, когда не нужно управлять потенциометром.

Спасибо за рекомендации, в продолжение хочу уточнить ситуацию с SPI для модуля Wi-Fi. У меня есть плата (тоже 4-слойная) со схожей трассировкой шины, длина цепей SCK, MOSI и MISO примерно 60 мм (на новой плате длина указанных цепей составит примерно 50 мм). Все проводники SPI как на имеющейся, так и на новой плате имеют по два переходных отверстия.

Осциллограмма сигнала SCK имеющейся платы прикреплена ниже, на ней меня смущает высокий уровень - 4В при напряжении питания 3,3В. В чем причина такого скачка, и как его избежать на новой плате? Мне представляется даже страшным не сам скачок до 4,24В, а то, что установившийся уровень после него равен 3,9В. В цепях данных установившееся значение составляет 3,8В.

Длина проводника оказалась на грани значения, определяющего этот проводник как элемент с сосредоточенными параметрами (но с высокой добротностью) или как элемент с распределенными параметрами. Как я понимаю, одно из решений, подходящих в обоих случаях - установить согласующий резистор у источника сигнала. Вопрос, как повлияют на это решение переходные отверстия, критично ли их расположение до (или после) переходных, или этим можно пренебречь? И так ли важна в данном случае установка именно у источника?

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Так не бывает. Или питание не 3.3В (например, натекает откуда-нибудь), или измерено некорректно.

На первой осциллограмме - желтый SCK, синий MOSI - к предыдущему сообщению.

Такой вольтаже у меня не только на SPI. Например, на второй осциллограмме снят сигнал, генерируемый модулем. Длина его фронта меньше 5 нс - тоже есть скачок до 4 В и медленный спад до напряжения питания. Как видно, 40 мкс не хватило, чтобы спуститься до 3,3 В, что уж тогда говорить об уровне напряжения сигнала тактирования, который длиться 25 нс.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Тоже не раз видел подобные сигналы, правда не на SPI, а на интерфейсе SD-Card, хотя там тоже некая разновидность SPI... Так вот, сигналы реально прыгали выше 4-х вольт и вдобавок выглядели преотвратно. Форма сигналов и уровень over/under-shoot-ов напрямую зависел от карты памяти. При этом интерфейс оставался работоспособным без снижения скорости, - насколько карта позволяла, настолько и работал. Улучшить форму сигналов удавалось только последовательными резисторами от 33 Ом до 100 Ом. Но именно, что улучшить - "загнать" сигналы в район 3.3В так и не получалось, уж не знаю почему... хорошо если в районе верхней границы 3.6В получались, а не больше.

Блин... Я уже начинаю бояться метрового SPI на 20+ потребителей в текущем проекте

А частотную компенсацию пробника вы сделали? Там отверточкой покрутить надо, подключившись к выходу 1 kHz на осциллографе, или CAL, или еще как-нибудь...
Постоянное напряжения (питание, например) хоть правильно показывает?


от-ра-же-ни-я


Есть чего бояться.

На 40МГц при суммарной длине трасс около 50мм? Да, фронты могут быть крутыми, но не настолько, чтобы при такой топологии с последовательными резисторами в линиях начинать вылезать отражениям:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Теория, усугубляемая практикой. Явление Гиббса. Если начинать ограничивать полосу частот сигнала с бесконечным спектром, то в моменты изменения уровня сигнала даже в теории выбросы могут достигать 18%. А резонансы линии передачи все подчеркнут.

Выводов 2: 1 - сделайте линию широкополосной, как сможете. 2 - не суйте в нее сигнал со спектром шире 1/3 от ее полосы пропускания. Последовательные резисторы возле источника сигнала помогают решить эту задачу.

И не бойтесь "заваленных" фронтов и спадов.

Частота сигнала не при чем. Важны длительности фронтов/срезов. Если время распространения сигнала по дорожке туда плюс обратно больше длительности фронта, будем иметь выбросы/провалы.
Но у вас, скорее всего, другое явление. Земля пробника была подключена крокодилом на проводе, из-за индуктивности которого возникали колебания наблюдаемого сигнала.

Иголкой земляной на пробнике пользуйтесь.
И, да, что там насчет земли на плате? Плохой землей, плохим путем возвратного тока тоже можно попортить сигнал.

Да не, оба предположения не подходят. Земля там прекрасная, отдельным слоем на всей плате(4-слойка), на втором внутреннем в этом районе 3.3В без разрезов, так что непрерывность полигонов имеется.
С фронтами тоже не вариант - точно уже не помню, а к осциллограммам доступа уже нет, но они там не супер быстрые, "звона" не возникает ни при каких условиях, и уж точно не 0.7нс и менее, что могло бы быть критичным при такой длине трасс.
С подключением скопа тоже не все так просто - активный зонд надетый на короткие пины припаянные непосредственно к падам разъема карты. В общем так, чтобы не влияло на повторяемость измерений.
Но несмотря на все это завышенные уровни видел, как будто интерфейс где-то подтянут к 3.3В, а где-то к 5В, и в итоге сигналы стремятся к середине между этими двумя уровнями. Ну и как писал - форма сигналов сильно зависела от используемой карты, а вот уровни - не зависели.

ЗЫ Если что я не пытаюсь решить проблему, там вопрос давно закрыт, просто хотел поделиться инфой, что тоже видел уровни сигналов которые не могу объяяснить.

Понятно, что тот проект закрыт. Жаль, что не посмотреть еще раз. Чудес не бывает. Если питания 5 В не было, то неоткуда взяться таким импульсам. Или было...? Там же умножитель напряжения внутри карточки, чтобы Flash записывать! Наверное, он и лез.

Ну тогда это не очень правильно, если так лезет на внешний интерфейс.

Да, неправильно. Там, может, проблемы возникали из-за плохого питания карточки. Дальше фантазировать не берусь.

Оп, точно. После компенсации всё стало намного лучше: небольшой звон есть, но уровень в норме - 3,3В =)