Systemy analogowo-cyfrowe

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

SACY

1

Celem przedmiotu jest zdobycie przez studentów wiedzy niezbędnej do zrozumienia efektów fizycznych występujących w szybkich systemach cyfrowych. Przedmiot kładzie szczególny nacisk na wiedzę praktyczną.

Celem przedmiotu jest zdobycie przez studentów wiedzy niezbędnej do zrozumienia efektów fizycznych występujących w szybkich systemach cyfrowych.
Przedmiot kładzie szczególny nacisk na wiedzę praktyczną.


Treść wykładu
W1 (2 godz.) Omówienie zakresu i celu przedmiotu, pokazanie przykładów
problemów mogących wystąpić w szybkich układach cyfrowych z
uwzględnieniem:

Zakłóceń, kompatybilności elektromagnetycznej, ograniczeń w układach
zasilających

Skończonego czasu propagacji sygnałów

W2 (2 godz.) Przykłady realizacji szybkich systemów
cyfrowych

procesory DSP, układy FPGA, magistrale cyfrowe - zakresy stosowania,
perspektywy rozwoju

W3 (2 godz.) Wejścia i wyjścia cyfrowe

Konwersja między różnymi standardami logicznymi (TTL, LVTTL, CMOS,
LVDS, LVPECL, CML, obsługa pętli prądowej) - rodzaje standardów i
zakres ich stosowalności

Wpływ obciążeń wnoszonych przez wejścia cyfrowe na parametry sygnału,
buforowanie sygnałów (regeneracja sygnału, "deskew")

Synchronizacja sygnałów wejściowych doprowadzonych do synchronicznego
systemu cyfrowego

W4 (2 godz.) Wejścia analogowe w szybkich systemach cyfrowych:

Przetworniki A/C, sposoby ich podłączania do systemów cyfrowych (interfejsy: I2C, I2S, SPI, LVDS, równoległy), kondycjonowanie sygnału
(dopasowanie zakresu napięć, ograniczenie pasma), sposoby doprowadzenia
sygnału analogowego do przetwornika (wejścia symetryczne i
asymetryczne, dobór impedancji stopnia sterującego przetwornik, użycie
układu T/H, wpływ parametrów sygnału zegarowego)

W5 (2 godz.) Wyjście analogowe w szybkich systemach cyfrowych:

Przetworniki C/A, sposoby ich podłączania, (interfejsy, synchronizacja
sygnałów wyjściowych, kształtowanie sygnału wytwarzanego przez
przetworniki DAC zależnie od jego przeznaczenia)

W6 (2 godz.) Bariery izolacyjne na wejściu i wyjściu układów cyfrowych

Techniki realizacji bariery po stronie cyfrowej i analogowej

Ograniczenia szybkości transmisji w barierach cyfrowych

Zniekształcenia sygnału wprowadzane przez bariery analogowe

Dobór realizacji bariery w zależności od warunków pracy systemu

W7 (2 godz.) Zabezpieczenia wejść i wyjść szybkich układów
cyfrowych

W8 (2 godz.) Techniki łączenia układów cyfrowych (zarówno w obrębie
jednej płyty, jak i między płytami) ? standardy VME, PCI, magistrale
DDR i QDR

Problemy typowe dla magistral równoległych (różnice czasu propagacji
sygnałów w poszczególnych liniach, problemy z odbiciami - terminacja
szeregowa i równoległa)

W9 (2 godz.) Techniki łączenia systemów i układów cyfrowych - c.d.

Problemy typowe dla łącz szeregowych

Wybór właściwych magistral z uwzględnieniem wymagań co do szybkości
transmisji, długości połączenia, ewentualnej separacji galwanicznej

W10 (2 godz.) Dystrybucja sygnału zegarowego w systemach

Jakość sygnału zegarowego (jitter, szumy fazowe, stabilność
częstotliwości)

Synchronizacja zegara i danych (podejście "system synchronous" i
"source synchronous `)

Odtwarzanie sygnału zegarowego przy transmisji danych (PLL)

Rozgałęzianie i buforowanie sygnału zegarowego

W11 (2 godz.) Synchronizacja zegara, częstotliwości i czasu między
poszczególnymi blokami systemu cyfrowego

protokoły White Rabbit

IEEE 1588

synchronizacja w obrębie jednej płyty

W12 (2 godz.) Zasilanie szybkich systemów cyfrowych

Wymagania co do zasilania

Właściwy dobór zasilaczy (impulsowe, o działaniu ciągłym)

Zasilanie urządzeń przenośnych

Zasilanie w układach wymagających wejść z separacją gawaniczną

W13 (2 godz.) Projektowanie płyt drukowanych (PCB) dla szybkich
systemów cyfrowych

Separacja zasilań

Prowadzenie masy, uziemienia, ekranów

Eliminacja odbić i przesłuchów

Prowadzenie: linii różnicowych, linii zegarowych, magistral,
uzyskiwanie właściwej impedancji falowej linii

W14 (2 godz.) Narzędzia do projektowania i symulowania płyt PCB

Ocena kompatybilności elektromagnetycznej

Ocena jakości sygnałów na płycie (Signal Integrity)

Tworzenie dokumentacji produkcyjnej

W15 (2 godz.) Podsumowanie - omówienie przykładu realizacji
praktycznego szybkiego systemu cyfrowego z

Zakres laboratorium
Laboratorium: (5 spotkań 3-godzinnych)

Laboratorium będzie miało na celu praktyczne zapoznanie studentów z
zagadnieniami przedstawionymi na wykładzie. Przykłady
ćwiczeń/demonstracji laboratoryjnych:

• Praca przetwornika ADC z sukcesywną aproksymacją z układem T/H i bez układu T/H dla różnych sygnałów wejściowych


• Wpływ parametrów przebiegu zegarowego na działanie szybkiego ADC


• Badanie przesłuchów i odbić na demonstracyjnej płytce drukowanej


• Wpływ sposobu połączenia masy na poziom zakłóceń w układzie
  demonstracyjnym z precyzyjnym przetwornikiem ADC


• Wpływ konfiguracji PWM na widmo sygnału wyjściowego, dobór
  właściwego filtru


• Wpływ różnego rodzaju separacji galwanicznej na transmitowane
  sygnały cyfrowe


• Wpływ braku synchronizacji sygnałów wejściowych na pracę systemu
  cyfrowego zrealizowanego w układzie FPGA


• Wpływ realizacji zasilacza na jakość przetwarzania sygnału przez
  precyzyjny przetwornik ADC


• Działanie równoległej magistrali dla różnych szybkości zegara i
  stromości zboczy (z wykorzystaniem układu demonstracyjnego z FPGA)


• Wpływ terminacji w magistrali szeregowej na kształt sygnału i
  transmisję danych


• Projekt: Zadania projektowe będą obejmowały samodzielne
  rozwiązanie problemu związanego z zagadnieniami prezentowanymi na
  wykładzie. Tematy projektowe zostaną dobrane tak, aby było możliwe
  sprawdzenie przedstawionego rozwiązania za pomocą symulatora, lub w
  rzeczywistym sprzęcie.


Zakres projektu
Projekt: Zadania projektowe będą obejmowały samodzielne rozwiązanie
problemu związanego z zagadnieniami prezentowanymi na wykładzie. Tematy
projektowe zostaną dobrane tak, aby było możliwe sprawdzenie
przedstawionego rozwiązania za pomocą symulatora, lub w rzeczywistym
sprzęcie.



Przykładowe zadania projektowe:

Przy użyciu pakietu Altium (wersja 30-dniowa do pobrania za darmo ze
strony www.Altium.com) przygotować projekt w postaci schematu i PCB z
wykorzystaniem dostarczonych przez prowadzącego bibliotek. Przykładowe
projekty:


• Rozdzielacz sygnału zegarowego 2.5GHz


• Nakładka pomiarowa z szybkim przetwornikiem ADC


• Płytka interfejsu USB3.0


• Moduł przetwornika ADC SAR 18bit


• Moduł zasilacza impulsowego


• Moduł wejść/wyjść cyfrowych LVDS z zabezpieczeniami ESD


• Moduł wyjściowy HDMI

Projekt zostanie następnie przesymulowany w środowisku HyperLynx firmy
Mentor Graphics pod względem reguł projektowych. Środowisko pozwala
symulować zjawiska fizyczne występujące przy praktycznej realizacji
układu na płytce drukowanej.

Przy użyciu pakietu Modelsim (darmowy, do pobrania ze strony
www.Altera.com) przygotować opis w języku VHDL bloków IP. Przykładowe
projekty:


• Mikroprogramowalny automat sterujący wyświetlaczem LCD


• Automat sterujący przetwornikiem szeregowym ADC


• UART z FIFO


• Kontroler karty SD


• Automat zapewniający transmisję danych przez interfejs Ethernet
  podłączony do układu FPGA


Projekty następnie zostaną zweryfikowane przy użyciu oprogramowania
Quartus - symulatora uwzględniającego implementacje w fizycznym
układzie oraz poprzez implementację na stanowisku testowym FPGA

1. Demystifying Mixed Signal Test Methods: Demystifying Technology: Baker, Mark ; ISBN-10: 0750676167, ISBN-13: 9780750676168, 295 p, 2003; Publisher: Newnes (dostępne w e-czytelni PW, w Engineering Village)


2. Troubleshooting Analog Circuits: Pease, Robert ; ISBN-10:
   0750694998, ISBN-13: 9780750694995, 234 p, 1991; Publisher: Elsevier
   Newnes (dostępne w e-czytelni PW, w Engineering Village)


3. High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Howard
   Johnson (Author), Martin Graham (Author) ,
   http://www.amazon.com/High-Speed-Digital-Design- Handbook/dp/0133957241

Przedmiot będzie zaliczany na podstawie liczby punktów uzyskanych:

• Na egzaminie (60% punktów)


• Za rozwiązanie zagadnień projektowych (20% punktów)


• Podczas zajęć laboratoryjnych (oceniane przygotowanie do
  laboratorium, jakość przeprowadzonych obserwacji i pomiarów oraz ich
  interpretacja) (20% punktów)