Андрей Трундов - Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

Единичным или базовым элементом цифрового сигнала в книге определен одиночный прямоугольный импульс напряжения [7].

Во временной области сигнал может быть представлен как зависимость изменения напряжения от времени.

В частотной области сигнал может быть представлен спектром – набором гармонических колебаний с разными значениями амплитуд, распределенным на частотной оси.

С точки зрения распространения энергии о сигнале можно говорить как об электромагнитной волне.

Представление сигнала во временной области мы можем наблюдать на экране осциллографа. При включении режима быстрого преобразования Фурье на экране осциллографа можно наблюдать спектр сигнала в режиме реального времени. Прибор, позволяющий увидеть распространение электромагнитной волны в пространстве, пока является только мечтой многих радиолюбителей, ученых и инженеров.

Основными параметрами идеального прямоугольного импульса являются длительность и амплитуда. В многопроводных интерфейсах может быть добавлена третья характеристика – положение импульса на временной оси, а также отклонение фронта и спада импульса от «ожидаемых» значений, называемое джиттером.

В характеристиках интерфейсов также встречается параметр «skew» (разбег фронтов сигналов в разных линиях одной шины либо дифференциальной пары).

Положение сигнала на временной оси, сдвиг относительно ожидаемого значения по времени, разбег задержек не относятся к форме сигнала и не могут быть применимы при разговоре о его целостности, но являются важными параметрами различных интерфейсов и должны приниматься во внимание в том числе и инженерами конструкторами печатных плат.

Изменение напряжения из состояния логического нуля в состояние логической единицы (фронт) и наоборот (спад) в идеальном импульсе происходит за временной интервал с нулевым значением, в результате чего скорость изменения фронта/спада импульса стремится к бесконечности.

Рис. 7 Идеальный прямоугольный импульс напряжения

Данная математическая модель в реальности не достижима из-за наличия конечного выходного сопротивления источника сигнала R, суммарной емкости С передатчика, приемника и линии передачи.

Последовательно установленный в линию передачи резистор R и параллельно установленный конденсатор C вместе образуют фильтр нижних частот, подавляющий высокочастотные гармоники в спектре сигнала, что приводит к затягиванию фронта и спада импульса.

Заряд емкости C через сопротивление R происходит за время

t НАР= 2,2RC

То есть, на экране осциллографа при некоторой временной развертке мы увидим затягивание во времени фронта и спада импульса. И вместо прямоугольного импульса получится трапецеидальный импульс напряжения.

Рис. 8 Трапецеидальный импульс напряжения

Для увеличения «крутизны» или скорости нарастания фронта импульса в полосу пропускания линии передачи должно «войти» большее количество гармоник спектра сигнала.

Первоначальную форму импульса определяет схемотехника выходного каскада источника сигнала. С учетом характеристик линии передачи и входного каскада приемника форма импульса может быть искажена как в области фронта/спада, так и в области площадки. При прохождении через линию передачи импульс задерживается на некоторое время, что приводит к его сдвигу на временной оси.

Рис. 9 Искажения формы импульса из-за резонанса на АЧХ линии передачи

Пологий фронт говорит о спаде АЧХ тракта передачи в области верхних частот. Искажения на фронте или спаде импульса (нелинейность, выброс, колебательный процесс) свидетельствуют об отражении сигнала от неоднородности и возможных резонансах в области верхних частот. По периоду резонансного колебания T (расстояние между двумя соседними «горбами» или точками с одинаковой фазой) можно определить частоту резонанса

f = 1/T

Если уровень сигнала на входе приемника превышает порог логической единицы, приемник распознает его как «единицу».

Если уровень сигнала на входе приемника ниже уровня логической единицы, приемник распознает его как «нуль».