Wie eine einzelne Masseverbindung 100 MP3-Player ruinieren konnte

Technologie ist eine großartige Sache, die bestimmte Aspekte unseres Lebens mit Sicherheit leichter gemacht hat. Wenn man jedoch das Elterndasein, Programmieren, Elektronikdesign und das gelegentliche Schreiben von Artikeln wie diesem unter einen Hut bringen muss, dann können auch die coolsten Apps manchmal nicht gegen den Stress ankommen, dem wir täglich ausgesetzt sind. Zum Beispiel vertauschte ich erst heute morgen Zucker und Salz und mischte letzteres in die Lieblingscornflakes meines Kindes. Was nur ein kleiner Fehler meinerseits war, führte zu einer aufmüpfigen Reaktion meines 5-jährigen, die sogar den britischen TV-Koch Gordon Ramsey hätte erblassen lassen.

Auch bei einem noch so tollen Design kann der kleinste Fehler fatal sein. Wenn Sie Glück haben, wird der Fehler nur so viel Aufwand erfordern wie die zehn Minuten, in denen Sie den Wutanfall Ihres Kindes ertragen. Leider hat so etwas in der Welt des PCB-Designs in der Regel ernstere Folgen. Oft bedeutet es, sich mit Hunderten vo fehlerhafter Designs befassen zu müssen. Letzteres musste ich vor gut fünf Jahren durchstehen. Ein kleiner Design-Fehler resultierte in genau 100 individuellen MP3-Playern, bei denen Audiosignal auf dem linken Kanal fehlerhaft war. Dieser Fehler sorgte für so viel Verdruss, dass ich mich noch heute an jedes Detail erinnern kann.

Wenn Massen gleich, aber trotzdem unterschiedlich sind

Bevor Sie mit dem Design eines MP3-Players oder eines anderen audiobasierten PCB-Projekts beginnen, müssen Sie sich auf das Wesentliche konzentrieren. Und um was es sich dabei handelt, ist manchmal allerdings nicht ganz klar. Heute morgen dachte ich, dass es das Ziel sei, meinem Kind seine Cornflakes zu geben. In Wirklichkeit ging es aber darum, die richtige Art von Zucker hinzuzugeben. Ebenso können Sie komplett darauf fokussiert sein, welche Art von speziellen integrierten Chips (IC) Sie verwenden werden. Jedoch wird erst das Wissen um die Wichtigkeit der verschiedenen Massen in Ihrem elektronischen Schaltkreis das Projekt erfolgreich machen. An der Hochschule wird uns alles über Stromversorgungs-Masse, digitale Masse und analoge Masse im Bereich des Schaltungsdesigns beigebracht.

Nicht alle Massen sind gleich.
 

Wenn Sie Audio-Player entwickeln, haben Sie mit digitalen und analogen Massen zu tun. Diese werden im Schaltplan mit verschiedenen Symbolen dargestellt. Schaut man sich jedoch ein PCB-Layout an, scheinen sie miteinander verbunden zu sein. Wenn Sie sich einige der optimalen Vorgehensweisen bei der Platzierung der Massen ansehen, werden Sie feststellen, dass meistens eine Verbindung über einen einzigen Punkt, zum Beispiel über eine Sternpunkt-Masse, empfohlen wird.

Schon das Ignorieren dieses Rats ist unverzeihlich. Das Schlimmste, was Sie aber tun können, ist es, im Rahmen Ihres gesamten Audio-Designs mit nur einer einzigen Massefläche zu arbeiten. Wenn Sie die Audio-Masse und die digitale Masse über einen einzelnen Punkt verbinden und daraufhin Störungen auf Ihrem Audiokanal erhalten, werde Sie sich fragen, woran das liegen könnte.

In meinem Fall habe ich fast Zehntausende von Dollars verloren und musste eine umfangreiche Überarbeitung anstoßen, bevor ich dann herausfand, dass die Störung von Signalen einer seriellen Peripherieschnittstelle (SPI) herrührte, welche das Audio-IC mit einem Mikrocontroller (MCU) verband. Jedoch hat diese Erkenntnis mein Team nicht vor unzähligen Stunden bewahrt, in denen wir die hundert betroffenen MP3-Player von Hand reparieren mussten.

Warum es so wichtig ist, wo Sie die Massen anschließen

Aus diesem Fiasko lernte ich zwei meiner wichtigsten Lektionen im Bereich Elektronikdesign. Erstens: Immer ausführlich die Bedienungsanleitung lesen. Zweitens: Es spielt eine Rolle, wo die unterschiedlichen Masseflächen verbunden werden. Wenn ich die erste dieser beiden Lektionen beachtet hätte, wäre diese Katastrophe vermeidbar gewesen. Im Folgenden erfahren Sie, was ich im ursprünglichen Design falsch gemacht hatte:

Fehler an der Massefläche können katastrophale Folgen haben.
 

Der von mir entwickelte MP3-Player besteht aus einer MCU und einem Audio-IC. Die MCU ist per SPI mit dem Audio-IC verbunden. Sie muss fortlaufend MP3-Daten streamen, damit das Audio-IC die Daten zu Audiosignalen dekodieren kann. Mein Fehler bestand hier darin, dass ich eine analoge Massefläche unter dem gesamten Audio-IC platzierte und die analoge sowie digitale Masse der MCU zwischen den beiden Bauteilen miteinander verband.

Dies führte dazu, dass die digitalen SPI-Signale sehr eng und parallel auf einen Teil der analogen Masse geleitet wurden und so für die EInkopplung von Störungen aus dem SPI in den Audiokanal führten. Nun behandeln wir in der Entwicklung Signale und Massen oft als zwei unterschiedliche Instanzen. Jedoch bestehen in der grundlegenden Physik die Impulse von Nullen und Einsen aus einer kompletten Stromschleife. In diesem Fall überkreuzte die Rückleitung der SPI-Signale die analoge Masse, die aber frei von digitalen Störungen sein sollte.

Verlagerung der Grenzen von digitaler und analoger Masse beseitigte die Störungen

Bei der zweiten Überarbeitung ging ich kein Risiko mehr ein und las die Gebrauchsanweisung des Audio-IC dreimal durch. An einigen ICs sind analoge und digitale Massen aus dem Gehäuse herausgeführt. Diese Begriffe sind jedoch irreführend, da sie sich oft auf das Innenleben des Chips beziehen und sofort auf der Außenseite des Pakets zusammengeführt werden sollten. Die Verbindung dieser beiden Massen sollte dann zu dem einzigen Punkt werden, an dem analoge und digitale Masse miteinander verbunden sind. So werden sich die Rückleitungen beider Flächen nicht überkreuzen und keine Störungen anderer Signale verursachen.

Die SPI-Signale hatten nun also eine eindeutige Rückleitung auf der digitalen Masse. Ich sprach ein schnelles Stoßgebet und fertigte meine zweite Partie überarbeiteter MP3-Player. Zum Glück blieben mir bei diesen neuen Produktionseinheiten böse Überraschungen erspart.

Sorgen die verschiedenen Masseflächen in Ihrem Design für Verwirrung? Die Experten bei Altium sind dafür da, Ihnen zu helfen. Sprechen Sie gerne mit einem der Altium-Experten, wenn Sie meine Fehler nicht wiederholen möchten. Möchten Sie hervorragende Audio-Schaltungen entwickeln? Dann ist CircuitStudio vielleicht die professionelle Design-Software, die Sie für den Einstieg benötigen.