GürültüResistant, Diferansiyel İşaretleme ile Gömülü İletişimi

Modern gömülü sistemler, elektrik gürültüsünün istisnadan ziyade kural olduğu ortamlarda çalışır. Motor sürücüleri, endüstriyel makineler, güç malzemeleri ve kablosuz vericiler tüm bu gürültüyü ve verileri bütünleştirebilmenin bir yolunu sunar.İki tel arasında tek bir gerilim farkı olduğunda, kablolar üzerinde alınan herhangi bir ortak nokta gürültü doğrudan doğruya doğrulanır.Diferansiyel sinyalleme, gürültüyü iptal etmek ve verileri bütünlemeyi korumak için bir ilke sunar.

Bu makale, gömülü ürünlerde ayırıcı sinyalizasyon uygulamak için kapsamlı bir kılavuz sunmaktadır. Temel fizikle başlıyoruz, sonra pratik tasarım ticaretlerini, bileşen seçimi, PCB düzeni kuralları ve gerçek dünya uygulamaları.Eğer bir fabrika otomasyon otobüsü, çok iyi bir veri satın alma kurulu, veya yüksek hızlı bir kamera arayüzü ile başlıyoruz, diferansiyel sinyal bütünlüğü için nasıl tasarlanacağınızı anlamak sağlam sistemdeki karları sağlam bir sistemde öder.

Diferansiyel İşaret Nasıl Çalışır

Diferansiyel sinyal iki iletken üzerinde bir sinyal gönderir - D+ ve D etiketli - verici sinyalin birbiriyle eşit ama tam tersi gerilime yollarken, ikinci teli eşit bir şekilde kullanmasına göre bir tele bağlı olarak bir teli yönlendirir. alıcı iki iletken arasındaki farkı ölçer ve her ikisine de ortak olan herhangi bir gerilimi görmezden gelir.

[Düzücükler, [Düzücüler) [Düzücükler) [Düzücüler [Düzücüler) [Düzücükler [Düzücüler)[Dönler)[Dönemliler)[Dönemliler) [Düzücüler) [Düzücüler) [Düzücükler)

Uygulamada, bir alıcı yüksek ortak bir eşdeğer oranı ile tasarlanmıştır (CMRR), genellikle 60 dB veya daha fazlası. Bu, 1 V'nin ortak-mode gerilimi varyasyonunun yalnızca 1 mV'nin diferansiyel hatasıyla çalışabilmesi anlamına gelir. Birçok diferansiyel transceivers aynı zamanda birkaç volta (örneğin, 485 V'ye +12 V) ortak bir dizisine izin verir.

Bu tek uçlu sinyale kıyasla, sinyal gerilimi yerel bir yere karşı ölçülüyor. Herhangi bir zemin atılır, indüktif damla veya çift gürültü doğrudan sinyale ekliyor. Uzun kablolar veya gürültülü çevre için, tek uçlu bağlantılar hızla kullanılamaz.

Tek başına sonlanan Key Avantajları

Üstün Gürültü Immunity

Çünkü çiftlerin hem tellere aynı şekilde yanıt verdiği gürültü reddedilir, diferansiyel bağlantılar yüksek radiated veya EMI ile yerlerde çalışabilir ve örneğin, RS-485'e kadar, örneğin, s.

Longer Distance at Higher Speed

Diferansiyel sinyallendirme, uzun mesafelere açılmak için göz kulaklarını korur, çünkü sinyal salaklığı daha küçük (LVDS için 350 mV) ve geri dönüş akımı, aksi takdirde ayrı bir zemin yolu ile yerine, tam tersi bir emisyonu azaltır. LVDS gibi standartlar, 10 metreden fazla bakır bükülebilir.

Alt Emisyonlar

Eşit ve tam zamanlı mevcut olan bir çift tel, büyük ölçüde birbirlerini iptal eden manyetik alanlar üretiyor. Bu öznitelik özelliği, tek taraflı izlerinin neden olduğu anten benzeri radyasyonu azaltır. Tasarımcılar genellikle yüksek hızlı saat veya veri otobüsleri için diferansiyel çiftleri kullanarak, aşırı kalkan olmadan geçiş yapan veya CE emisyon sınırlarını sağlar.

Robust Grounding ve Azaltılmış Ground Rings

Dirilatörler, verici ile ortak bir yerel zemin referans gerektirmez. Ortak mod aralığı düğümler arasında birkaç volta izin verir. Bu, ayrı güç malzemeleri veya uzun süreli tedariklerin zemin kaymasına neden olduğu sistemlerde paha biçilmezdir - bina otomasyon veya endüstriyel alanbusları gibi.

Doğru Diferansiyel Interface Standartını Seçin

Birkaç standartlar vardır, her biri hız, mesafe, güç veya maliyet için optimize edilmiştir. gömülü tasarımlarda en yaygın olanı:

  • [FONT=0)RS-485) – Dengeli, yarı karmaşık veya tam ölçek, 50 Mbps'ye kadar, ortak mod aralığı -7 V to +12 V, diferansiyel çıktı gerilimi ±1.5 V tipik.
  • [FONT=0)LVDS) (Low-Voltage Diferansiyel Signaling) – Çok düşük hız (350 mV tipik) veri oranlarının yüksek hızlı seri bağlantıları (camera arayüzleri, arka uçaklar, HDMI) için kullanılan birkaç Gbps'ye kadar uzanır.
  • [FONT=0)) [Dönetici Alan Ağı) – İLGİLİZCE ve TİPT:0)CAN). (Denetler Alan Ağı) – İLGİLİ: Ortamdaki Diferansiyel otobüsler, ağır hatalar. Common-mode aralığı ±12 V, otomotiv ve endüstriyel kontrolde 1 Mbps hızlar.
  • [FONT=0]M-LVDS[[Dönetici: 1 ) - Çok fazla dinlendiriciler için LVDS'nin genişletilmesi, ATCA ve telecom arka planlarında kullanılan.
  • [FONT=0)Ethernet[DÜDÜDÜDÜDÜDÜ, gigabit) - izolasyon için manyetikler ile çarpıtılmış devreler üzerinden farklı sinyaller kullanın. PHY hattı kodlama ve eşitleme ile çalışır.
  • [FONT=0}HDMI / DisplayPort[[DÜT:1) – Transition-minated Differential sinyal (TMDS) for video ve ses için.

Standart seçerken, veri oranını, düğümlerin sayısını, kablo uzunluğu, güç bütçesini düşünün ve gerekli bağışıklık gerektirir. Örneğin, RS-485 gürültülü, uzun mesafe, düşük hızlı ağlarda, LVDS yüksek noktaya kadar tercih edilirken, LVDS bir PCB veya kısa kablo içindeki bağlantılar için tercih edilir.

Bir PCB üzerinde Pratik Uygulama

Baskılı bir devre kurulunda farklı bir çift tasarımı, sabit bir karakteristik engeli korumak için iz geometrisinin dikkatli bir kontrol gerektirir (tipik olarak 100 GU veya 120 ULL diferansiyel).

Trace Geometry ve Impedance Control

Diferansiyel dürtü, iz genişliğine, bakır kalınlığına bağlıdır, iki iz arasında yayılmak ve en yakın referans uçağına mesafe (tipik olarak zemin uçağı) bağlıdır. Birçok PCB üreticileri kontrollü-diks ve spacing ~8s'i standart 8 katlı bir yığın üzerinde kullanın (prodüktörlü bir şekilde) Cihazı kullanarak çalışır.

Ek olarak, aynı uzunlukta (bağlantılı uzunluk) iki izlerini tut. Skew, ortak bir enerjiye, CMRR'ye ve EMI'ye yükselterek, en yüksek hızlı tasarımların 5'ten fazla ps'ı aşmasına izin verir.

Tequ Strategies

Alıcıya karşı direnişçiler (veya her iki ucunda da çok fazla bir damlalık otobüsü için) yansımaları absorbe eder ve kablonun karakteristik özelliklerini ihlal eder.D+ ve D-149 arasında tek bir 100 {{ direnç gösterir, alıcıya yakın durur. RS-485 çoklu damla için, yer sonlandırmak için her bir kablonun karakteristik özelliklerini ihlal eder.

Yer ve

Farklı sinyalizasyon zemin bağımlılığını azaltsa da, izlerinin altındaki düşük bir zemin uçağı hala gereklidir.Bu, ortak kullanım noktaları için bir geri dönüş yolu sunar ve izlerden gelen izler depolanır RS485 transceivers, yerleşik DC /DC dönüştürücüler ile birlikte yapılır.

CommonMode Chokes

Ortak bir mod serisine, diferansiyel-modinleri düşük frekanslı yaygın-mode gürültüyü diferansiyel sinyali etkilemeden yerleştirdi.Birçok RS-485 ve CAN uygulamaları küçük bir ferrite ortak-mode choke (e.g., 100 μH 100 kHz) bazı otomotiv tasarımlarında kullanılır.

Bias ve Başarısızlık

Otobüs boş zaman (no verici sürüş), diferansiyel gerilim sıfırın yakınında ve alıcının çıkışı, RS-485 için, bir önyargı ağı (380 TEL to 560 TEL dirençlileri 5 V ve GND) bir eşiğin altındayken kontrol edebilir.

Kablolar ve Interconnects için tasarım göz önüne alınır

PCB'yi terk ettiğinde, kablo, iletim hattının bir parçası haline gelir. Her zaman diferansiyel sinyaller için kablolar kullanır. Twisting, her iki telin de aynı elektromanyetik alana maruz kaldığını sağlar, ortak modu reddetme oranı (kırdadaki bükülme sayısı) pratik olarak yüksek olmalıdır - en az 5485 ila 20+ yüksek hızlı için.

Çarpıcı kabloların yanı sıra, genellikle 100 ULL, 120 ULL veya 150 ULL. Bu işlemi transceiver'nin gereksinimlerine karşı eşleştirir. Uzun kablolar için, sağlam bakır iletkenleri ve düşük kapasiteli bir kablo kullanın ( ⁇ 50 pF/m) Shielded-on-parma (STP) güç tedarikinde daha fazla ortak bir dışlama sağlayan bir dış elveba bağlanır, ancak sadece bir ucundaki kalkanı zeminden kaçınmak için dikkatli olun.

Bağlantılar: Farklı katmanlar veya yaygın boşluklar aracılığıyla iki telin tutulmasını sağlamak için belirli pins ile D-Sub'lar veya dairesel konektörler ile belirli bir pins sipariş eder.

Uygulama Örnekleri

Industrial Sensör Ağı

Bir fabrikada, sensörler (sıcak, vibrasyon, baskı) genellikle travmatik bir kablo kullanarak RS-485'i Modbus protokolü ile birlikte kullanıyor. Her sensör düğümü içerir, tek bir master anket hattını sağlar.Diferansiyel doğa yakındaki bir robot veya konveyör motorun, sensör okumalarını bozduğundan emin olur.

Makine vizyonu kameraları LVDS'yi, birkaç resim içinde piksel verilerini transfer etmek için kullanır; aksi takdirde, görüntü verileri bir standart kamera Link kablo ile bir çerçeveye bağlanır (dört diferansiyel çift artı bir saat çift). Her iki tarafta PCB düzeni birkaç {{ diferansiyel kesinti ve uzun süre boyunca uygun bir şekilde olmalıdır; aksi takdirde, görüntü verileri biraz hataya yerleştirilir.

Otomotiv Bus

Her modern araba, 120 {{ engeli ile bir transceiversiteyi bir iç ortak nokta ile kullanıyor, böylece otobüs bir motor bölmesinin sert elektrik ortama dayanabiliyor.

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

İki İz arasında Skew

Aşırı uzun yanlış eşleştirme, diferansiyel sinyalleri ortak bir şekilde dönüştürür, gürültü bağışıklığı ve EMI'yi azaltır. Otomatik yönlendirme araçları veya uzun yılanlar ile otomatik yönlendirme kullanın. yüksek hızlı ( >100 MHz), skew <5 ps.

Incorrect T determine

Eksik veya yanlış bir son, göz diyagramını bozan ve veri hatalarına yol açan yansımalara neden olur.For point-to-point LVDS, her zaman bir direnici tam olarak ayrımı yerine getirir. multidrop RS-485 için, yer sonlandırmaları sadece iki uçta; asla bir ara düğümde.

Ground Loops via Shield

Her iki ucundaki kablo kalkanı, uzay potansiyelindeki bir farkdan büyük dolaşıma sahip bir zemin döngüsü oluşturur. kalkan sadece bir sonunda şasi zemine bağlı olmalıdır -tip olarak güç en sonunda sona erer.Eğer kablo uzunsa, DC döngüsü oluşturmadan statik olarak kanamaya karşı dirençli bir drenaj bağlantısı dikkate alın.

Aşırı obbs

Bir stub ana otobüsten kısa bir şubedir.Diferansiyel sistemlerde, stublar enerjiyi yansıtan eşsiz olmayan yükler olarak görünür. RS-485 için, stublar 250 kbps ve daha kısa sürede olmalıdır. LVDS için, kullanım noktası-to-point bağlantıları sadece; stubs izin verilmez. Bazı standartlar, veri oranı düşükse daha fazla stubs tutmaz.

Test ve Geçerlilik

Tasarımdan sonra, aşağıdaki testler ile ayırıcı bağlantıyı doğrulayın:

  • [FONT:0]Eye Diagram[[Dönetici:0)[D)[D)[Dönetici:0))) – Kullanıcının açılışını ölçmek için diferansiyel problarla bir oscilloskop kullanın.
  • [FONT=0]Common-Mode Rejeksiyon[[DÜT:1) – İndük bilinen ortak mod gürültüsü (örneğin, bir dönüştürücü aracılığıyla bir işlev jeneratörü) ve biraz hata oranını ölçmek. İyi tasarlanmış bir bağlantı düşük frekanslarda 10 V ortak noktaya tolere etmelidir.
  • [FONT:0)Time Domain Reflectometry (TDR))[TDR)[Dönetici profili, iz ve kablonun sona erdiğini doğrulamak için çift boyunca kontrol edin. A TDR, stub uzunlukları, açık-circuit sonlandırmaları veya bağlayıcılığı açığa çıkarabilir.
  • [FONT:0]EMI Scan[[Dönetici:0)[[Dönetici:0))[[[Döneme:0))[[[Döneme:0))I Scan[[Dönemli bir çift ve kabloyu kullanarak, radiated emisyonların sınırları içinde olduğunu doğrulamak için aynı veri oranıyla karşılaştırıldığında, iyileştirmeyi görmek için aynı veri oranıyla karşılaştırın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Diferansiyel sinyalleme, mühendislerin sağlam, gürültüye dayanıklı iletişim bağlantılarını inşa etmeye güvenebileceği güçlü bir tekniktir.Ortalamalı iletişim bağlantılarını anlayarak ve dikkatli PCB düzeni, sonlandırma ve kablo seçimi, tek uçlu sinyallerin başarısız olduğu ortamlarda güvenilir veri transferini elde edebilirsiniz. Açıklanan hatalarla başlayın - mesafe, veri oranı, düğümlerin sayısını ve çevresel gürültüyü- sonra uygun standart (RS485, LVDS, CAN, vb.) ve burada sunulan tasarım kılavuzlarını takip edebilirsiniz.

Daha fazla okuma için, başvuru notları, bu makalede bilgiyi tamamlayan ayrıntılı bir dizi örnek ve tasarım kontrol listeleri sunar.The North reading, consult application notes from leading yarı iletken satıcılars such asurFLT:0).Analog Cihazları). ve ConTexas Instruments).