xSignal − pokročilé měření délky spojů v Altium Designeru

Altium Designer 15.0 byl doplněn o novou entitu, která má jméno xSignal. Jedná se o řešení pro měření a vzájemné vyrovnávání přesných délek spojů, které je vyžadováno u mnoha moderních digitálních rozhraní, jako jsou DDR1/2/3/4, PCI Express atd.

Problémem při měření délky spojů u těchto rozhraní je to, že u signálů dochází k jejich větvení nebo průchodu přes jinou součástku, u jiných signál prochází postupně od jednoho pouzdra k dalšímu. Délka spoje je přitom specifikací stanovena, ať už jako maximální, minimální, nebo v rámci dané tolerance, obvykle mezi vývody pouzder zdroje a cíli signálu. Měření délky musí respektovat topologii propojení.

XSignal

Altium Designer reflektuje tyto požadavky tím, že umožňuje definovat dvojici pájecích plošek (objekty Pad), mezi kterými měření délky probíhá, a tyto dvojice se označují jako xSignal. xSignal pak obsahuje objekty tvořící propojení obou plošek jako spoje, prokovy, oblouky atd. Jednoduše řečeno xSignal obsahuje vše na cestě od jedné plošky k druhé. Není přitom potřebné mít obě plošky v rámci jednoho pojmenovaného spoje (Net). xSignal je možné definovat na odlišně pojmenovaných spojích, což odpovídá například použití sériových terminačních rezistorů. Tyto rezistory vytvoří snad ve všech návrhových systémech na každém svém konci různě pojmenované spoje a měření celkové délky musí proběhnout v rámci více Netů jejich sečtením, o což se xSignal postará. Do délky zadaného xSignal spoje se přitom připočte i přímá vzdušná vzdálenost mezi ploškami vložené součástky simulující její délku.

xSignal definice jsou nejprve využity k zobrazení topologie tzv. vzdušných propojů (airwire, from-to, gumičky), které pomáhají layouterovi s plánováním vedení fyzického spoje na desce. Když je spoj položen, tak měření délky respektuje tyto existující úseky a celkovou délku počítá podle nich. Na obr. 1 je znázorněno středovou čarou vlastní měření délky xSignal spoje. Především to, jakým způsobem se vyrovnává s překrývajícími se objekty, u kterých stanoví nejkratší možnou cestu tak, jak to nejvíce odpovídá reálnému šíření signálu. Stejným způsobem je do délky xSignal započítána i výška prokoveného otvoru při přechodu spoje mezi vrstvami desky. Opět s cílem co nejvíce simulovat cestu šíření signálu.

Větvení signálů

Například u DDR rozhraní dochází kvůli rozdělení paměti na několik čipů k větvení adresní a řídicí sběrnice ve tvaru písmene T. Toto větvení má za cíl udržet každý jednotlivý spoj od kontroléru k paměťovému čipu stejně dlouhý jako ke všem sousedním čipům v rámci stanovené tolerance. To dokáží xSignal spoje obhospodařit. Obvykle je však i požadavek na sledování délky jednotlivých úseků větvení. Jelikož xSignal spojů může být na jednom fyzickém spoji definováno i více a xSignal je definován vzdáleností od plošky k plošce, tak je možné do místa větvení vložit pomocnou volnou plošku Pad (ať už vrtanou jako náhradu prokoveného otvoru, nebo SMT s vypnutým odkrytím z nepájivé masky), která umožní vytvořit xSignal sahající pouze do místa, kde k větvení dochází, viz obr. 2. Volnou plošku můžeme tímto způsobem v případě xSignal definic používat na různých místech k získání částečného měření délky spoje.

Nástroje na vytvoření xSignal spojů

Základní vytvoření xSignal objektu je jednoduché. Stačí v PCB editoru Altium Designeru vybrat libovolné dvě plošky, mezi kterými má xSignal vzniknout, a pomocí Design » xSignal » Create xSignal nebo kontextového menu vyvolaného pravým tlačítkem a volby xSignal » Create xSignal se xSignal vytvoří. Na kontrolu vzniklého xSignal objektu lze využít panel PCB nastavený v záhlaví na volbu xSignals.

U větších projektů by vybírání po jednotlivých ploškách bylo zdlouhavé, protože těchto kombinací v rámci jednoho rozhraní jsou desítky až stovky. Existují tu proto další nástroje, které tento proces zjednodušují.

Prvním je Create xSignals From Connected Nets (obr. 3), jenž se v menu Design » xSignal objeví, když je ve výběru alespoň jedna součástka. Průvodce slouží k vytvoření xSignal spojů procházejících danou součástkou. Typickým případem je právě zmíněný sériový terminační rezistor. Průvodce najde pomocí tlačítka Analyze na připojených signálech všechny možné páry plošek a nabídne je ve spodním okně ke schválení, vytvoření a začlenění do nové nebo existující třídy xSignalClass.

Druhý průvodce Create xSignals Between Components ( obr. 4) slouží k vyhledání vzájemných propojení mezi dvěma vybranými součástkami. Nejde přitom pouze o přímé propojení, ale i o propojení skrz některé vložené součástky (opět sériová terminace). To můžeme nastavit na 1, 2 nebo neomezený počet vložených součástek. Jedním spuštěním průvodce tedy vytvoříme během chvilky například 64 xSignal spojů datové sběrnice, i když je na každém spoji vložen terminační rezistor, a stejně jako v předchozím v případě je průvodcem můžeme vložit do společné třídy xSignalClass.

Při použití obou nástrojů je obvykle vhodné z nabízených spojů Net odfiltrovat napájecí signály, které mají propojení vždy mezi všemi součástkami a neúměrně tak zvyšují počet nabízených xSignal propojů, které musíme v průvodci zrušit/ odebrat.

Práce s xSignály

Výsledné xSignal definice nebo jejich třídy xSignalClass se používají v definicích návrhových pravidel (DRC) pomocí příkazů InxSignal nebo InxSignalClass, viz obr. 5.

Nástroje Altium Designeru se pak na tyto DRC pravidla odvolávají podobně jako na všechna ostatní pravidla. Není potřeba se učit něco nového. Vyrovnávání délek ve sběrnici tedy probíhá stejně jako dříve pomocí nástroje Tools » Interactive Length Tuning. Tento nástroj však díky xSignal zahrnuje do vyrovnávání délku celé trasy signálu a vyrovnání délky pro sběrnici dosáhneme podstatně rychleji. Stav vyrovnání délek je zobrazen v panelu PCB » xSignals barevným kódováním − žlutá (příliš krátký spoj), červená (příliš dlouhý spoj) a bílá (vše v rámci nastavené tolerance), viz obr. 6.

Závěr

Předchozí popis funkce xSignal v Altium Designeru 15.0 si kladl za cíl ukázat, jak tato funkce reflektuje reálné potřeby při navrhování plošných spojů s moderními datovými rozhraními, kde dochází k větvení signálů, průchody mezi mnoha vrstvami, průchody přes sériově vložené součástky apod. Všechny tyto scénáře jsou pomocí xSignal pokryty a průvodce vytváření xSignal spojů navíc zjednodušuje zadání požadované topologie do plošného spoje. Výsledkem je jednoduché a přesné vyrovnávání a kontrolování délek zadaných signálů, které je uchováno v definici desky i pro případ budoucích úprav v nové revizi zařízení.

Moderní digitální rozhraní kladou samozřejmě více požadavků než jen tyto zmíněné. Vývoj funkcí xSignal objektů a i dalších částí Altium Designeru je již nyní nasměrován k tomu, aby pokryly i zbytek těchto náročných procesů. Můžete se tedy těšit na další verze Altium Designeru a jejich novinky.