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What is Signal Integrity? PCB Design Fundamentals xSignals in Altium Signal Integrity Stimulus Design Rules Basics of Signal Integrity Analysis
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シリアル通信プロトコル - パート3: RS-232 シリアル通信プロトコル - パート3: RS-232 1 min Blog この一連の記事では、デバイス間でデータを転送するために利用可能なさまざまなシリアル通信プロトコルのタイプを見ていきます。これらの記事では、現在使用されているより人気のあるプロトコルと標準のいくつかを取り上げ、このシリーズの最後には、それぞれの利点と欠点をまとめて比較します。次に設計でシリアル通信バスを実装する必要があるときに、この情報が有益であることを願っています。これにより、回路に最も適したオプションを選択するのに役立ちます。 この記事では、レガシーのRS-232プロトコル標準について見ていきます。 RS-232は、Recommended Standard 232を意味し、1960年に作成された電子デバイス間のデータ伝送用の電子デバイスプロトコル標準です。かつて、RS-232は最も一般的に使用されるデータ伝送形式であり、主に標準の9ピンD-sub（DB-9）接続を使用して実装されていました。この標準は、今日でもコンピュータ、オートメーション、医療機器を含むさまざまな電子デバイスでよく使用されています。 クラシックなDB-9ケーブル、画像出典： https://www.digikey.co.uk/product-detail/en/assmann-wsw-components/AK131-2/AE1379-ND/930165 RS-232は、低論理レベル信号（0）の送信に正の電圧を使用し、高論理レベル信号（1）の送信に負の電圧を使用します。 RS-232信号の例 RS-232の電圧レベル 電圧 論理値 -18v から -5v 1 -5v から +5v (未定義) 記事を読む
シリアル通信プロトコル - UART シリアル通信プロトコル - パート2: UART 1 min Blog この記事では、人気のある UARTデバイスについて見ていきます。これは通信プロトコルではなく、マイクロコントローラーやスタンドアロンのICでシリアルデータの送受信に使用される物理回路です。利用可能なさまざまな種類のシリアル通信プロトコルを見ていくために制作した一連の記事のサポートとなります。 シリアル通信は、 マイクロコントローラー、データを生成する周辺機器、その他の スマートデバイスなどのデバイス間で情報を伝送するための完璧なメカニズムです。次回、設計にシリアル通信バスを組み込む必要があるときに、このリソースが非常に価値あるものとなることを願っています。UARTは、デバイス上のシリアルポートとしても一般的に言及されます。しかし、これはDB9スタイルのコネクタを使用し、ハードウェアプロトコルとしてRS-232を使用する別の種類のシリアルポートと混同されることがよくあります。マイクロコントローラー上のUART周辺機器とRS-232ベースのデバイスが互いに通信するために、UARTがRS-232トランシーバーに接続されていることは珍しくありません。 UARTは、Universal Asynchronous Receiver Transmitterの略です。この通信システムには、グラウンドを除いて2つのピンが必要です。1つはTXとラベル付けされた送信機、もう1つはRXとラベル付けされた受信機です。名前に非同期という言葉が出てくることから、クロック信号を必要としないことがわかります。クロックがないため、送信機と受信機は同じボーレートを使用しなければなりません。 ボーレート（Bd）は、伝送速度を測定する単位です。このパラメータは、送信機と受信機のデータチャネル上の通信速度を決定します。ボーレートは、単純化するために秒あたりのビット数として表されることがあります。したがって、1000 Bdのレートは、通信速度が秒あたり1000ビット、または1ビットの持続時間が1/1000秒または1ミリ秒であることを意味します。ボーレートには、kBd（キロボー）、MBd（メガボー）、GBd（ギガボー）などの標準的なメトリックプレフィックスがあります。ボーレートには、スタートビットやストップビットなどのデータ以外のメッセージの部分が含まれているため、送信機から受信機へ送信される有用な情報の伝送速度はわずかに少なくなります。 より一般的な事前定義されたUARTボーレートには以下が含まれます： 110ボー 300ボー 1200ボー 4800ボー 9600ボー 19200ボー 38400ボー 115200ボー 記事を読む
シリアル通信プロトコル - 序章 シリアル通信プロトコル - 序章 1 min Blog この一連の記事では、 マイクロコントローラー、データ生成およびデータ処理ペリフェラル、その他のスマートデバイス間で情報を転送するために利用可能なさまざまなシリアル通信プロトコルのタイプについて見ていきます。このシリアル通信の紹介に続く記事では、一般的に使用されているいくつかの人気のあるプロトコルについて説明します。このシリーズの最後には、それぞれの利点と欠点をまとめます。次にシリアル通信バスを実装する必要があるときに、このリソースが役立ち、特定の状況に最適なオプションを選択するのに役立つことを願っています。 現在、 デジタル電子技術は市場に出回っているほとんどの電子デバイスの最も重要な部分となっています。多くの異なるチップが使用されており、その複雑な操作は他の同様のデジタルコンポーネントから送受信される情報に依存しています。これらの間で通信を可能にするために、共通のプロトコル標準が作成されました。もし、各ICやデバイスが独自のプロトコルを使用して通信していたらどうでしょうか。これは、すべての人間が独自の言語を使って話すのと同じです。お互いを理解することがほぼ不可能になるため、混乱に陥るでしょう。 現在、さまざまなメモリIC、デジタルセンサー、保護デバイス、プログラマブル電源、デジタルポテンショメータ、無線周波数ICなどを取り扱っています。これらはすべて、 マイクロプロセッサ、 FPGA、ASICとの間で、またはそれら同士で通信する必要があります。これらのデバイス間の通信の目的は大きく異なることがあります。プログラミングのため、情報を抽出するため、あるいはアクションの実行を開始する信号を提供するためなどです。 また、一部のプロトコルでは、私たち人間がマイクロコントローラーを介してICと対話することを可能にします。これらのプロトコルの1つを介してICに信号を送信するようにプログラムされたマイクロコントローラーに信号を送ることができます。あるいは、利用可能なデバッグツールの1つを接続することもできます。 シリアル通信における問題の一つは、何かがうまくいかない場合に回路を見つけてデバッグすることの難しさです。もし一つのデバイスから別のデバイスへデータが届かない場合、その原因は次のいずれか、または複数の場所に存在する可能性があります：送信デバイスのロジック、その回路設計、シリアル通信のエンコードの仕方、通信バス、受信機によるデコード、受信機の回路設計、または最終的に受信機のロジックに。シリアル通信にオシロスコープのプローブを差し込むことで、何らかの活動があるかどうかは確認できますが、その有効性についてはほとんど教えてくれません。何が起こっているのかを完全に把握するには、デコード機能付きのオシロスコープまたはロジックアナライザーが必要になります。これにより、パルスを横切る電圧パルスを知り、電圧レベルのフォルトを見つけ、ノイズの問題を特定し、信号の立ち上がりと立ち下がりの速度に問題がないかを探ることができます。 しかし、シリアル通信を徹底的にデバッグするには、バス上のデータをデコードして、それが正しいか、または破損しているか、衝突の影響を受けているかを確認できるツールが必要です。デバイス間またはIC間の通信をデバッグするために特別に作成されたデバッグツールがかなりあります。 Saleae Logicシリーズのロジックアナライザーは、業界標準のロジックアナライザーの一つであり、Proモデルは最も人気のあるプロトコルをすべて分析するのに十分な速度を提供します。 多くの低コストのロジックアナライザーは、SPIのような高速プロトコルを処理するには遅すぎます。 LA2016 Logic Analyserは、非常に低コストでSaleae Logic 8とLogic 8 Proの間のサンプルレートを提供します。私は一つを所有しており、プロトコルを非常に成功裏に分析するために使用してきました。 記事を読む
50オームのインピーダンス 謎の50オームインピーダンス：その起源と使用理由 1 min Thought Leadership 50オームのインピーダンスは、かつてRF伝送路で使用される標準的なインピーダンスとなりましたが、今日でも依然として有用であり、テスト機器で使用される標準的な参照インピーダンスとなっています。 記事を読む
Circuit Board Design FR4 1 min Blog PCB設計を「高速」設計にする要素はなんでしょうか。高速な処理は当然としても、クロック速度のみを指すわけではありません。多くの場合、高速設計にまつわる課題は、信号の伝送媒体の管理にあります。従来のFR4は長年、低価格で効果的な材料として定評がありましたが、高速設計には制限を及ぼす可能性があります。 利用できる優れた材料があったとしても、多くの場合、コストが高くなります。基板の製造材料は、設計プロセスの早い段階で選択する必要があります。そのため、Altium Designerには、設計、材料の選択、材料コストのバランスの判断に役立つ、すぐに使える30万点以上のコンポーネントを収めたECADライブラリへのアクセスがあります。 Altium Designerで得られる利点: データ管理用の強力なツール リアルタイムでのコストの見積もりと追跡 動的なサプライチェーン情報 柔軟なリリース管理ツール Altiumは、電気技術者/設計者が高速で、安全性が高く、効率的な設計を行える機能を提供します。 無償評価版をお試しいただけますので、ぜひご利用ください。 記事を読む
Sパラメータ測定 Sパラメータ測定と電力整合性における誤差 1 min Thought Leadership どこを見ても、Sパラメータがなくなることはありません！それらは、相互接続やアンテナなどのシステムを理解するために必須のツールであり、他のネットワークパラメータが電気的な振る舞いを概念的に理解するのに時々より良いかもしれません。これらのパラメータは通常、電子エンジニアの間で信号の整合性のために予約されていますが、よく見ると、Sパラメータは電力の整合性にも使用されていることがわかります。これは、電力の流れの観点から直感的に理解できるはずです：黒川のSパラメータの元々の定式化は、信号によって運ばれる電力の観点からでしたので、なぜこれを電力の整合性に使用しないのでしょうか？ PDN設計では、特に高速デジタルコンポーネントにおいて、低PDNインピーダンスへの設計が重要です。低PDNインピーダンスは、与えられた瞬間電流引きに対する電源レール間の低電圧変動につながります。ネットワークパラメータはPDNを特徴づけ、そのインピーダンスを決定するために使用できますが、Sパラメータの使用には正確なPDNインピーダンス計算のために適切な参照（ポート）インピーダンスの使用が必要です。簡単なケースでSパラメータ測定の誤差がZパラメータ測定にどのように伝播するかを正確に見て、直感を得た後、一般的なNポートPDNとSパラメータ行列の誤差がインピーダンス行列にどのように誤差を生じさせるかについて議論します。 Sパラメータと電力整合性 Sパラメータを測定する際、すべての測定は帯域制限され、離散的にサンプリングされます。これにより、避けられない測定誤差が生じます。言い換えると、測定されたSパラメータは真のSパラメータではなく、 因果関係に問題を引き起こします。Sパラメータは他のネットワークパラメータ（Zパラメータを含む）の計算に使用できるため、Sパラメータの誤差はZパラメータの誤差にどのように影響するのでしょうか？2ポートPDNの場合、そしてNポートPDNの場合について見てみましょう。 大きなS11を持つ2ポートPDNの誤差 まず、2ポートPDNの誤差について見てみましょう。これは、いくつかの洞察を得るために解決できる簡単な問題です。始めるために、基本的な変換を使用して、PDN内のSパラメータをZパラメータに関連付け、次にいくつかの誤差の存在下でZパラメータを計算します。 次の方程式では、2つの誤差の存在下でのPDNのSパラメータ行列を用いて、私のPDN自己インピーダンスを定義しました。 e項は私のS 11/S 22誤差であり、 f項は私のS 21/S 12誤差です。相互性が成り立つと仮定すると（S ij = S ji）、次のようになります： 自己インピーダンスの重要な側面に焦点を当てるために、PDNが相互にかつ損失なしであると仮定しましょう。この場合、SパラメータはS 21 記事を読む
干渉振幅歪み 干渉振幅歪み 1 min Blog 以前のブログでCOMとチャネル分析について話しましたが、さらに視覚的な補助といくつかの例示コードを用いて、読者が自身で分析を行えるように議論を続けたいと思います。 まず、COMが何であるか、そしてCOMがどのように計算されるかの高レベルな概要を見てみましょう。COMは、ある時点での電圧の信号対雑音比です。その時点とはサンプリングポイントであり、利用可能な信号はサンプリングポイントでのパルス応答の電圧です。パルス応答とは、テスト中のチャネルを通過した後の電圧の形状であり、パルスは単に意図されたデータレートに対応する単位間隔を持つ矩形関数です。 ノイズは統計分析によって見つかり、ISI、クロストーク、システムの3つの主要なカテゴリーに分けられます。 ISIノイズは、チャネル内の反射による統計的ノイズです。DFEタップの後のパルス応答におけるゼロ以外の値は、このノイズに加算されます。考慮される値は、互いにMポイント離れたものだけです。これは下の図で円として示されています。マゼンタの円はDFEによって処理されたノイズの寄与であり、黒い円はDFEが適用されていないノイズ値です。 クロストークも全く同じ方法で行われますが、ノイズ値は非同期です。つまり、COMは利用可能な信号スライスに対応する値ではなく、ピーククロストーク値を取ります。システムノイズには、データ依存ジッター（DDJ）、ランダムジッター、およびICからのノイズのまとまった値が含まれます。DDJは反射に関連しているため、ISIノイズ値にトレンドがあります：ISIが多いほどDDJも多くなります。しかし、他のすべてのシステムノイズは、チャネルに関係なく一定です。 パルス応答を作成するための計算を行うことは決して簡単ではありませんが、ほとんどのエンジニアや科学者は最終的にはそれを理解できます。しかし、問題のノイズ部分ははるかに難しいです。主な問題は、以下に示す方程式93A-39の実装です。 世界のほとんどの人にとって、これはかなり難解な方程式です。各部分を説明し、その後で視覚的な補助を示します。左から右にかけて、pn(y)は、寄与するサンプルnからの位置yにおける電圧の確率です。言い換えれば、パルス応答の点の1つに対して、ノイズの量が発生する可能性がどの程度あるかということです。1/Lは変調を考慮に入れます。各レベルにはそれぞれの確率があり、y方向の総確率は1になる必要があります。したがって、確率は各レベルで均等に分割されます。この論文では、Non-Return Zero (NRZ)、Pulse Amplitude Modulation 4 (PAM4)、およびPAM6を分析します。NRZには2つのレベルがあり、PAM4には4つのレベルがあり、PAM6には6つのレベルがあります。実際には、IEEE COMコードは、標準が非対称レベルを考慮に入れていないため（しかし、入れることもできます😉）、1つのレベルに対する確率密度関数（PDF）のみを評価します。1つのレベルのみを考慮することは、標準の実行速度の向上にも寄与しており、これは熱い議論のトピックとなっています。 デルタ関数を一旦置いておき、その引数について考えましょう。ここで重要なのは、yがと同じ時に引数がゼロになることです。最後にデルタ関数がありますが、その引数がゼロの時、デルタ関数は単純に1になります。 yをスイープすると、ノイズサンプルnがどれだけのPDFを生成するかがわかります。次のステップは、各サンプルnに対して方程式93A-40を使用し、時間領域ソースからのノイズのPDFを得ることです。 この方程式を以下に示すサンプルに適用します。これは、再反射信号がチャネル上で0.000819779ボルトのノイズを生成している点です。 93A-39の内部引数をプロットすると、次のグラフが得られます。l = 0およびl 記事を読む