PCB Tecnico - Ricerca sull'integrità del segnale: tempo di aumento del segnale e larghezza di banda

Ho menzionato nell'articolo precedente che dovremmo prestare attenzione al tempo di aumento del segnale. Molti problemi di integrità del segnale sono causati dal breve tempo di aumento del segnale. Questo articolo parlerà di un concetto di base: la relazione tra tempo di aumento del segnale e larghezza di banda del segnale.

Per i circuiti digitali, l'uscita è solitamente un segnale ad onda quadrata. Il bordo ascendente dell'onda quadrata è molto ripido. Secondo l'analisi Fourier, qualsiasi segnale può essere scomposto in una serie di segnali sinusoidali di frequenze diverse. L'onda quadrata contiene componenti spettrali molto ricchi.

Mettendo da parte la noiosa analisi teorica, utilizziamo esperimenti per analizzare intuitivamente i componenti di frequenza nell'onda quadrata e vedere come i segnali sinusoidali di frequenze diverse sono sovrapposti in un'onda quadrata. In primo luogo, sovrapponiamo un'onda sinusoidale da 1.65v DC e un'onda sinusoidale da 100 MHz per ottenere un'onda sinusoidale singola con un offset DC di 1.65v. Sovramponiamo un segnale sinusoidale con un multiplo intero di frequenza su questo segnale, che è comunemente indicato come armoniche. La frequenza della terza armonica è 300MHz, la frequenza della quinta armonica è 500MHz, e così via, le armoniche più alte sono tutti multipli interi di 100MHz. La figura 1 è un confronto prima e dopo la sovrapposizione di armoniche diverse. L'angolo in alto a sinistra è la forma d'onda fondamentale di frequenza 100MHz con offset DC, e l'angolo in alto a destra è la forma d'onda dopo che la frequenza fondamentale è sovrapposta alla terza armonica, che è un po 'simile a un'onda quadrata. L'angolo in basso a sinistra è la forma d'onda della frequenza fondamentale + 3a armonica + 5a armonica, e l'angolo in basso a destra è la forma d'onda della frequenza fondamentale + 3a armonica + 5a armonica + 7a armonica. Si può vedere intuitivamente che più componenti armoniche sono sovrapposte, più la forma d'onda assomiglia a un'onda quadrata.

figura 1

Pertanto, se si sovrappongono abbastanza armoniche, possiamo sintetizzare approssimativamente un'onda quadrata. La figura 2 è la forma d'onda sovrapposta alla 217a armonica. È già molto simile all'onda quadrata. Non m'importa delle sbavature agli angoli. E' il famoso fenomeno Gibbs. Questo tipo di simulazione è destinato ad accadere, ma non influisce sulla comprensione del problema. Qui abbiamo la più alta frequenza di armoniche sovrapposte fino a 21.7GHz.

figura 2

L'esperimento di cui sopra è molto utile per comprendere le caratteristiche essenziali della forma d'onda quadrata. Un segnale ideale a onde quadrate contiene un numero infinito di componenti armonici. Si può dire che la larghezza di banda è infinita. C'è un divario tra il segnale reale dell'onda quadrata e il segnale ideale dell'onda quadrata, ma c'è una cosa in comune, cioè contiene componenti dello spettro ad alta frequenza.

Ora guardiamo all'effetto di sovrapporre diversi componenti spettrali sul bordo ascendente. La figura 3 è una rappresentazione comparativa. Il blu è il bordo ascendente del segnale di frequenza fondamentale, il verde è il bordo ascendente della forma d'onda dopo la terza armonica è sovrapposta, il rosso è il bordo ascendente dopo la frequenza fondamentale + la terza armonica + la quinta armonica + la settima armonica, e quello nero è sovrapposto al bordo ascendente della forma d'onda dopo la 217a armonica.

Figura 3

Attraverso questo esperimento, si può vedere intuitivamente che più componenti armoniche, più ripido è il bordo ascendente. O da un'altra prospettiva, se il bordo ascendente del segnale è ripido e il tempo di salita è breve, allora la larghezza di banda del segnale è molto ampia. Più breve è il tempo di salita, maggiore è la larghezza di banda del segnale. Questo è un concetto molto importante, devi avere una comprensione intuitiva, nel profondo della tua mente, è molto buono per te imparare l'integrità del segnale.

Qui per parlare, l'onda quadrata sintetizzata finale, la sua frequenza di ripetizione della forma d'onda è 100MHz. Superimponendo armoniche cambia solo il tempo di aumento del segnale. Il tempo di aumento del segnale non ha nulla a che fare con la frequenza di 100MHz, ed è la stessa regola quando si passa a 50MHz. Se il segnale di dati di uscita del circuito è solo decine di MHz, potresti non preoccuparti dei problemi di integrità del segnale. Ma ora pensi all'impatto delle armoniche ad alta frequenza nello spettro dovuto al breve tempo di salita del segnale? Ricorda una conclusione importante: non è la frequenza di ripetizione della forma d'onda che influenza l'integrità del segnale, ma il tempo di salita del segnale.

Il codice di simulazione di questo articolo è molto semplice, posterò il codice qui, potete eseguirlo su matlab da soli.

clc; cancellare tutto; imballaggio;

F = 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;

per n=1:2:3

x3 = x3 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

fine

x5 = x0;

per n=1:2:5

x5 = x5 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

fine

x7 = x0;

per n=1:2:7

x7 = x7 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

fine

figura

sublotto(221)

plot(x1)

sublotto(222)

plot(x3)

sublotto(223)

plot(x5)

sublotto(224)

plot(x7)

x217 = x0;

per n=1:2:217

x217 = x217 + 3.3*2/(pi*n) * sin(2*pi*n*f1*t);

fine

figura

plot(x217)

figura

plot(x217,'k')

Tieni duro

plot(x1,'b')

plot(x3,'g')

plot(x7,'r')

attendere

asse([8000 12000 -0,5 4])