Technologie PCB - Étude d'intégrité du signal: temps de montée du signal et bande passante

J'ai mentionné dans mon article précédent que nous devrions faire attention au temps de montée du signal. De nombreux problèmes d'intégrité du signal sont causés par de courts temps de montée du signal. Un concept de base sera discuté dans cet article: la relation entre le temps de montée du signal et la bande passante du signal.

Pour les circuits numériques, la sortie est généralement un signal carré. Le bord ascendant de la vague carrée est très raide. Selon l'analyse de Fourier, tout signal peut être décomposé en une série de signaux sinusoïdaux de fréquences différentes. Les ondes carrées contiennent une composition spectrale très riche.

Mettant de côté l'analyse théorique ennuyeuse, nous analysons expérimentalement et intuitivement les composantes fréquentielles dans les ondes carrées pour voir comment les signaux sinusoïdaux de différentes fréquences se superposent en ondes carrées. Tout d'abord, nous superposons une onde sinusoïdale de 1,65 V DC et 100 MHz pour obtenir une onde sinusoïdale monofréquence avec un décalage en courant continu de 1,65 v. nous superposons à ce signal un signal sinusoïdal dont la fréquence est un multiple entier, communément appelé harmonique. La fréquence de la troisième harmonique est de 300 MHz, la cinquième harmonique est de 500 MHz, et ainsi de suite, les harmoniques supérieures sont toutes un multiple entier de 100 MHz. La figure 1 est une comparaison avant et après superposition des différents harmoniques. Le coin supérieur gauche est la forme d'onde de la fréquence fondamentale de 100 MHz avec décalage DC, et le coin supérieur droit est la forme d'onde après la superposition de la fréquence fondamentale avec le troisième harmonique, un peu comme une onde carrée. Le coin inférieur gauche est la forme d'onde fondamentale + 3 harmoniques + 5 harmoniques et le coin inférieur droit est la forme d'onde fondamentale + 3 harmoniques + 5 harmoniques + 7 harmoniques. On voit intuitivement que plus les composantes harmoniques sont superposées, plus la forme d'onde ressemble à une onde carrée.

Figure 1

Ainsi, si suffisamment d'harmoniques sont superposées, nous pouvons synthétiser approximativement une onde carrée. La figure 2 est une forme d'onde superposée à la 217e harmonique. C'est déjà très similaire à une vague carrée. Ne vous souciez pas des bavures dans les coins. C'est le fameux phénomène Gibbs. Cette simulation se produit nécessairement, mais n'affecte pas la compréhension du problème. Nous avons ici les harmoniques superposées aux fréquences les plus élevées, jusqu'à 21,7 GHz.

Figure 2:

Les expériences ci - dessus sont très utiles pour notre compréhension des caractéristiques essentielles des formes d'onde carrées. Un signal carré idéal contient un nombre illimité de composantes harmoniques. On peut dire que la bande passante est illimitée. Il y a un écart entre le signal carré réel et le signal carré idéal, mais une chose en commun est qu'il contient des composantes spectrales à haute fréquence.

Regardons maintenant l'effet de la superposition de différentes composantes spectrales sur le front montant. La figure 3 est un affichage comparatif. Le bleu est le front montant du signal de fréquence fondamentale, le vert est le front montant de la forme d'onde après la superposition de la troisième harmonique, le rouge est le front montant après la superposition de la fréquence fondamentale + troisième harmonique + cinquième harmonique + septième harmonique, et le noir est le front montant superposé à la Deuxième harmonique 217.

Figure 3

Grâce à cette expérience, on voit intuitivement que plus les composantes harmoniques sont nombreuses, plus le front montant est raide. Ou d'un autre point de vue, si le front montant du signal est raide et le temps de montée est court, alors la bande passante du signal est large. Plus le temps de montée est court, plus la bande passante du signal est large. C’est un concept très important que vous devez avoir une compréhension intuitive qui pénètre profondément dans votre esprit, ce qui est excellent pour l’intégrité de votre signal d’apprentissage.

Ce qu'il faut dire ici, c'est que l'onde carrée finalement synthétisée, dont la forme d'onde se répète à 100 MHz. La superposition des harmoniques ne fait que modifier le temps de montée du signal. Le temps de montée du signal est indépendant de la fréquence de 100 MHz et il en est de même lorsqu'il passe à 50 MHz. Si le signal de données de sortie de la carte n'est que de quelques dizaines de MHz, vous ne vous souciez peut - être pas des problèmes d'intégrité du signal. Mais maintenant, pensez - y, en raison du court temps de montée du signal, quel effet peuvent avoir les harmoniques haute fréquence dans le spectre? Rappelez - vous une conclusion importante: Ce n'est pas la fréquence de répétition de la forme d'onde qui affecte l'intégrité du signal, mais le temps de montée du signal.

Le Code de simulation pour cet article est très simple, je vais poster le Code ici et vous pouvez l'exécuter vous - même sur MATLAB.

CLC; Effacer tout; Emballer

FS = 10e9;

Nsamp = 2e4;

T = [0: nsamp - 1] * (1 / FS);

F1 = 1e6;

X0 = 3,3 / 2;

X1 = X0 + 1,65 * SIN (2 * pi * F1 * t);

X3 = X0;

Pour n = 1: 2: 3

X3 = X3 + 3,3 * 2 / (PI * n) * SIN (2 * pi * n * F1 * t);

Terminaison

X5 = X0;

Pour n = 1: 2: 5

X5 = X5 + 3,3 * 2 / (PI * n) * SIN (2 * pi * n * F1 * t);

Terminaison

X7 = X0;

Pour n = 1: 2: 7

X7 = X7 + 3,3 * 2 / (PI * n) * SIN (2 * pi * n * F1 * t);

Terminaison

Graphique

Sous - lots (221)

Dessin (x1)

Sous - lots (222)

Dessin (x3)

Sous - lots (223)

Dessin (X5)

Sous - lots (224)

Dessin (X7)

X217 = X0;

Pour n = 1: 2: 217

X217 = x217 + 3,3 * 2 / (PI * n) * SIN (2 * pi * n * F1 * t);

Terminaison

Graphique

Terrain (x217)

Graphique

Dessin (x217, 'k')

Attendez un peu!

Dessin (x1, 'B')

Terrain (x3, 'g')

Dessin (X7, 'R')

Procrastination

Axes ([8 000 12 000 - 0,5 4])