iSystem-Ratgeber: HF-Effekte beim Leiterplattenentwurf vermeiden

PRODUKT NEWS EMBEDDED SYSTEMS

Unter der Überschrift “Trace Port PCB Design Guidelines” gibt iSystem in einem 7seitigen Artikel Designhilfen für den Leiterplattenentwurf und den Schutz vor Hochfrequenzeffekten. Hochfrequenzeffekte können dazu führen, dass ein Debug Tool Trace-Daten nicht mehr korrekt erfassen kann und damit verfälschte Messergebnisse zurückliefert.

 

Als Hersteller von On-Chip Debuggern (OCDs) und Analyzern hat iSystem viele Erfahrungen mit Debug-Schnittstellen wie z.B. Nexus, ETM, etc. gesammelt. Diese Schnittstellen bezeichnet man auch als Trace Ports. Steigende Anforderungen an Mikrocontroller nach höherer Integration und schnelleren Taktgeschwindigkeiten bei immer weniger Stromverbrauch stellen sowohl die Halbleiter- als auch Werkzeughersteller vor große Herausforderungen zur Gewährleistung hoher Bandbreiten über die jeweiligen Trace Ports.

 

 

Hohe Taktraten mit Nebenwirkungen

 

Je höher ein Mikrocontroller integriert und getaktet ist, desto leichter werden (On-Chip Trace) Signale verzerrt. Hier kann der Entwickler schon beim Design eingreifen und durch die Beachtung von Designrichtlinien die Qualität des finalen Messergebnisses erhöhen.

 

On-Chip Debug Funktionalität ist bei den meisten Controllern durch Komprimierung der CPU-Aktivität auf dem Chip selbst und durch den Transfer eines Datenstroms über einen Trace Port zu einem externen Tool (z.B. OCD) realisiert. Das Tool zeichnet dann die Daten auf, analysiert diese und zeigt sie an.

 

 

Datenaufzeichnung mit Präzision

 

Physikalisch besteht ein Trace Port üblicherweise aus Takt- und Datenleitungen. Die Taktleitung wird benötigt, um Daten genau in dem Moment aufzunehmen, in dem das Signal stabil und gültig ist.

 

Daten können bei aufsteigender Flanke des Taktsignals („Full Rate“) aufgezeichnet werden, oder zur auf- und absteigenden Flanke („Half Rate“). Bei niedrigen Frequenzen und guter Signalqualität können Takt- und Datensignale als reine, digitale Signale (Quadratkurven) ohne Phasenverschiebung betrachtet werden. Ein OCD kann in diesem Fall Daten präzise aufnehmen.

 

 

Das Oszilloskop deckt auf

 

Bild 1 und 2 zeigen die Aufzeichnung von Daten- und Taktsignalen durch ein Oszilloskop. Die Datensignale sind blau, das Taktsignal in Gelb dargestellt. Die unterschiedlichen blauen Linien zeigen ein Signal zu unterschiedlichen Zeitpunkten – das Oszilloskop zeichnete im sogenannten „Dauer“-Modus auf, bei dem die Kurven auf dem Oszilloskopbildschirm akkumuliert dargestellt werden.

 

Der dunkle Bereich innerhalb der Signale wird als „Datenauge“ bezeichnet – die Datenaufzeichnung in dieser Zone führt zu verlässlichen Daten (Bild 1: lila Quadrate). Steigt jedoch die Frequenz, wird die Datenaufzeichnung zur Herausforderung durch steigende Signalverzerrung wie z.B. Rauschen, Dämpfung, Übersprechen, Reflexion, Potenzialverschiebung.

 

Wie aus Bild 2 ersichtlich wird, schrumpft bei höheren Frequenzen das Datenauge (lila Kreise) und das Taktsignal muss verschoben werden (lila Pfeile).

 

PCB-Designmängel wie lange oder unterschiedlich lange Trace-Leitungen, Abzweigungen an den Trace-Leitungen, gesockelte CPU, etc. können die Trace-Signale soweit verzerren, dass eine korrekte Abtastung nicht mehr möglich ist.

 

 

Empfehlungen: so klappt der Leiterplattenentwurf 

 

  • Um Signalverzerrungen zu vermeiden und um eine möglichst hohe Trace-Qualität zu erreichen, sollte bereits der Leiterplatten-Designer einige Punkte beachten:
  • Die CPU sollte auf der Platine eingelötet sein. Jeglicher Sockel kann die Integrität der Signale dramatisch verändern.
  • Alle Trace-Leitungen auf der Leiterplatte sollten so kurz wie möglich sein (maximal zirka 2,5cm).
  • Alle Trace-Leitungen sollten auf dem gleichen Layer der Platine oder auf Layern mit gleicher Impedanz liegen.
  • Richtwert für die Layer Impedanz ist 50 Ohm.
  • Mictor Erdungspins sollten direkt mit der PCB Erdung (GND) verbunden sein.
  • Die Taktleitung sollte seriell mit einem 47-Ohm-Widerstand abgeschlossen werden, der möglichst nahe am Treiber liegt. Der Widerstandswert kann unterschiedlich sein abhängig von den Treibermerkmalen.
  • Die Taktleitung sollte frei von Übersprechen sein – wenn möglich durch doppelten Abstand zur nächsten Leitung.
  • Die Taktleitung sollte eine Punkt-zu-Punkt Verbindung sein – jegliche Abzweigungen sind zu vermeiden.
  • Es wird dringend empfohlen, auch die anderen (Daten-) Leitungen als Punkt-zu-Punkt Verbindung auszuführen. Wird eine Abzweigung benötigt, sollte diese so kurz wie möglich sein. Werden längere Abzweigungen verlangt, sollte eine Abklemmmöglichkeit vorhanden sein, z.B. durch Jumper.
  • Übersprechen innerhalb des Trace-Datenbusses ist unkritisch, aber die Isolation des kompletten Busses von anderen Signalen ist äußerst wichtig (einschließlich Trace-Taktleitung).
Link(s)

Fachartikel