PCB-Design-Tipp Hochfrequenzeffekte an Debug-Schnittstellen beherrschen

Redakteur: Gerd Kucera

Hochfrequenzeffekte können dazu führen, dass ein Debug Tool die Trace-Daten nicht mehr korrekt erfassen kann und damit verfälschte Messergebnisse zurückliefert.

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Bild 1: Gute Signalintegrität bei niedriger Frequenz
Bild 1: Gute Signalintegrität bei niedriger Frequenz

Die „Trace Port PCB Design Guidelines“ diskutieren diverse Leiterplatten-Design-Aspekte, insbesondere zur Prävention von Hochfrequenzeffekten. Mehr als 25 Jahre Erfahrung in Entwicklung und Produktion von Debug-Werkzeugen hat der Herausgeber der PCB-Design-Richtlinien iSYSTEM in das Dokument eingebracht.

Als Hersteller von On-Chip Debuggern (OCDs) und Analyzern hat iSYSTEM profundes Wissen über Debug-Schnittstellen wie beispielsweise Nexus und ETM gesammelt. Diese Schnittstellen bezeichnet man auch allgemein 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. Je höher ein Mikrocontroller integriert und getaktet ist, desto leichter werden (On-Chip Trace) Signale verzerrt. Hier kann der Kunde schon beim Design unterstützend mitwirken und durch die Beachtung von Designrichtlinien die Qualität des finalen Messergebnisses erhöhen.

On-Chip-Debug-Funktionalität ist heutzutage 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. 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.

So hilft der On-Chip Debugger

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.

Die Bilder zeigen die Aufzeichnung von Daten- und Taktsignalen durch ein Oszilloskop. Die Datensignale sind Gelb, das Taktsignal in Blau dargestellt. Die unterschiedlichen gelben Linien zeigen ein Signal zu unterschiedlichen Zeitpunkten – das Oszilloskop zeichnete im 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.

Bild 2: Hier ist eine Taktverschiebung erforderlich
Bild 2: Hier ist eine Taktverschiebung erforderlich
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 Traceleitungen, Abzweigungen an den Traceleitungen, gesockelte CPU etc. können die Tracesignale soweit verzerren, dass eine korrekte Abtastung nicht mehr möglich ist.

Empfehlungen zur Vermeidung von Signalverzerrungen

Um Signalverzerrungen zu vermeiden und um eine möglichst hohe Tracequalität zu erreichen, sollte bereits der Leiterplattenentwickler einige Punkte beachten:

  • Die CPU sollte auf der Platine eingelötet sein. Jeglicher Sockel kann die Integrität der Signale dramatisch verändern.
  • Alle Traceleitungen auf der PCB sollten so kurz wie möglich sein (max ~2,5 cm).
  • Alle Traceleitungen 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 Tracedatenbusses ist unkritisch, aber die Isolation des kompletten Busses von anderen Signalen ist äußerst wichtig (einschließlich Trace-Taktleitung).

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