TEKNİK YAZI

Tiva Not-3: Tiva için PCB Tasarım Notları (Prototip Yazı)

2013-11-07 16_41_15-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

Bu yazıyı bir manada PCB tasarım konusunda prototip yazı olarak yayınlamak istiyorum. İnternet ortamında mikroişlemci programlama konusunda çok fazla anlatım varken pcb tasarım konusunda pek fazla kaynak göremezsiniz özellikle de Türkçe hiç yok. En azından ben rastlamadım. Bu yüzden bu yazı dediğim gibi pcb tasarımı konusunda elimde bir örnek olması ve daha sonra konunun üzerine nasıl gitmem gerektiği hakkında bana fikirler vermesi açısından prototip bir yazı olacaktır. Taslaklara atıp sonra yayınlanmayı beklemesini de istemedim.

Öncelikle şunu söylemeliyim ki pcb tasarımı konusunda yazıp yazmama arasında çok kararsız kaldım. Kendim bu konuda baya çalışma yapmış olmama rağmen daha işin çoook başında olduğumu biliyorum. Dikkat edilmesi gereken çok fazla şey olmakla birlikte her bir kural A devresinde X şeklinde B devresinde ise tam tersi olabiliyor. Burda yazdıklarımı birilerinin kendi devresine yanlış şekilde uygulayıp kötü sonuçlar alması malzemelerine ve kendisine zarar vermesi vebaline de girmeyi hiç istemem. O yüzden PCB Tasarımı konusuna ilk olarak Tiva işlemciler ile başladığımız serüvene Tiva için  datasheetlerden uygulama notlarından ve tasarım klavuzlarından derlediğim bilgiler ile başlayabiliriz.

İlerde de toparlayabilirsem eğer EMC (ElektroMagnetik Uyumluluk)konusunda da temel olarak bir kaç şey yazmak istiyorum çünkü bariz olarak yapılan ciddi hatalar var. Bu hataları direk piyasaya sürülen ürünlerde görmek de üzücü.

İlk olarak şunu söylemeliyim ki aşağıda anlatılan tüm bilgiler sadece Texas Instruments firmasının Tiva TM4C123X serisi işlemciler için geçerlidir. Pic, Atmel, diğer ti işlemcileri vb tüm harici işlemcilerde uygulanacak tasarımlar için kullanacağınız ürün için üretici firmanın uygulama notlarını mutlaka inceleyiniz. Belirteceğimiz dikkat edilmesi gereken konular tasarım örnekleri, tasarlamakta olduğunuz devre için en iyi fiyat/performans ve uygulanabilirlik de sunmayabilir. Tasarlamakta olduğunuz sistemi tüm olarak ele almalı, buna sistemin çalışacağı ortam şartlarını da ekleyerek tasarımınızı tüm bu parametreleri göz önünde bulundurarak yapmalısınız. Konu kapsamlı olduğundan üzerine konuşulabilecek şey çok o yüzden yazımıza başlayalım.

Bu tarz ARM çekirdeğe sahip mikroişlemcilerde tasarım konusunda göz önünde bulundurulması gereken en önemli nokta, mikroişlemcinin IO pinlerinin anahtarlama hızı ve çekilen akımlardır. Eğer anahtarlama hızlarımız yüksek değil çektiğimiz akımlar da normal seviyelerde ise standart kuralları uygulayarak bir tasarım yapabilir bazı noktaları göz ardı edebiliriz. Ancak tersi durumlarda önerilen tasarım kurallarına mutlaka uyulmalıdır. Her zaman en iyi tasarım örnekleri içinde en son güncel datasheetleri inceleyiniz.

2013-11-07 16_38_03-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

1- Power (Güç Kaynağı-Besleme vb.)

Tiva C serisi mikroişlemciler çalışmak için nominal olarak 3.3 V gerilime ihtiyaç duyarlar. En iyi çalışma performansı en doğru analog dijital çevrimi ölçümü için regüle çıkışımızın en az ripple a sahip olmasına azami şekilde gayret etmeliyiz. Ayrıca mikroişlemci beslememizin elektriksel gürültü kaynağı olabilecek röleler, motor sürücüler ve diğer güç anahtarlamalarının olduğu tüm devrelerden ayrı olması özellikle ADC performansı açısından çok önemlidir. Çoğu zaman ADC kullanımında ölçtüğümüz değerler yaptığımız yazılımsal ve donanımsa filtrelere rağmen sabitlenemiyorsa sorun büyük ihtimal kaynağımızdaki ripplelardan kaynaklanıyordur.

2013-11-07 16_39_08-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

İşlemcinin içerisinde bulunan diğer modüller için gerekli enerji standart bir çok işlemcide olduğu gibi  kendi içerisinde bulunan on-chip voltage regulator ile gerekli seviyelere ayarlanır ve power rail ile dağıtımı yapılır. Farklı olarak  yukarıdaki tablodan da görülebilecek olan çekirdeğe giden beslemenin Vdd pininin Vddc olarak dışarıya verilmesidir. Bunun nedeni çekirdeğin ekstra dekuplaj ve filtre kondansatörüne ihtiyaç duymasıdır. Tüm tiva serilerinin sahip olduğu on-chip voltage regülatörünün de aynı şekilde sağlıklı çalışabilmesi için filtre kapasitörlerine ihtiyacı vardır. Bu kapasitörler için üretici tarafından önerilen, toplamda 3.3 uF ile 3.4 uF arasında bir %10 toleranslı seramik chip kapasitör seti kullanılmasıdır.

Dekuplaj Kapasitörleri:

İdeal olarak mikroişlemcinin tüm besleme pinlerine bir adet dekuplaj kapasitörü bağlamak gereklidir. Dekuplaj kapasitörleri genelde 0.01 uF veya 0.1 uF değerinde olurlar ve toplu kapasitör setlerinde mikoişlemciye en yakın kapasitörler olmalıdırlar. Örnek olarak tiva launchpad in besleme şemasına bakılabilir. Vdd ve Vdda dekuplaj kapasite setleri tipik olarak kaynağın ripple seviyesi değerine göre 2 uF ile 22uF arasında olabilir.

Toplu besleme kapasitörleri mikroişlemcinin pinleri GPIO akımına ihtiyaç duyuyorsa özellikle de bir kaç tanesi 4 mA den fazlasına ihtiyaç duyuyor ise büyük öneme sahiptirler.

En iyi performans için bir adet dekuplaj kapasitörü her power ve ground pini arasında mutlaka bulunmalıdır. En azından mikroişlemcinin her iki tarafında da bir dekuplaj kondansatörü mutlaka olmalıdır. Dekuplaj Kapasitörleri 10 V dan 25 V a kadar X5R/X7R  seramik chip tipi kondansatörler olabilir. Z5U dielektrik kapasitörleri önerilmemektedir.

2013-11-07 16_39_15-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

Aşağıda PCB çizimlerinde işlemcinin power pinleri ve  dekuplaj kapasitörünün çizim örnekleri gösterilmiştir.

2013-11-07 16_39_21-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

Vdd ve Vdda yı ayırma ve GND ler

Vdd ve Vdda bazı uygulamalarda ayrı olarak kullanılabilir ve bu devrenin durumuna göre ADC için daha iyi filtreleme ve performans avantajı sunabilir. Ancak GND ve GNDA aynı GND ye bağlanmalıdır. ADC uygulamalarında be şekilde bir ayrım yapılacaksa eğer kullanılacak işlemcinin güç bağlantı şeması incelenmelidir.

 

Reset

Reset devresi bir adet 1 k direncin 3.3 volta pullup yapılması ve butonun da GND a bağlanması ile oluşturulabilir. Burada dikkat edilmesi gereken şey mutlaka işlemcinin reset pinine en yakın şekilde bir kapasitör bağlanmalıdır. Bu koruma özellikle gürültü oluşturabilecek kullanımlarda önemlidir.

Reset pini yolu 5 cm den kısa olmalıdır ve gürültülü sinyallerden olabildiğince uzakta olmalıdır. Pinlerde meydana gelebilecek sıçramaları önlemek için seri olarak bir 100 ohm direnç endüktans görevi görmesi için eklenebilir.

 

Osilatör Devresi Tasarımı

Tüm tiva serisi işlemcilerde bir saat kaynağı sağlamak için ana osilatör devresi gereklidir. Osilatör devresi bir ana kristal ve iki adet kondansatörden oluşur. Osilatör devresinin öneminden bahsetmeye gerek yoktur diye düşündüm. Zira tek başına bir yazı konusu olabilir.

2013-11-07 16_39_27-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

Burada kullanılan kapasitörler için aşağıda yazılan notu bir kaç defa Türkçe olarak anlatmaya çalıştım ama bu şekilde kalması daha iyi olacak gibi. Zaten terimlerin çoğunluğu yine aynı.

2013-11-07 16_43_55-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

Kristal Osilatör PCB çizimi:

Kötü bir osilatör devresi çizimi güvenilmez bir osilatör kaynağına neden olur. Aynı zamanda bu devre gürültü kaynağı da olup ışınım yapabilir.

Buradaki anahtar nokta osilatör sinyalinin döngü alanı ile sinyal yollarını minimum uzunlukta tutmaktır.

İdeal yol uzunluğu 6 mm den az olmalıdır. 12 mm den ise asla uzun olmaması gerekir.

Şekilde küçük smd tip kristal ile örnek bir çizim gösterilmiştir.

2013-11-07 16_39_33-3-Tiva ile PCB Tasarım Notları - Microsoft Word

TI ın uygulama notlarında daha fazla öneriler mevcut. Ancak yazının başında da belirttiğim gibi bu pcb tasarımı konusunda bir prototip yazı. Hatalarım olmuş yanlış anlattığım ya da belirtmediğim noktalar olmuş olabilir. İşlemci için temel kurallarda genel olarak yukarıdaki başlıkları içermekte. Devamında USB, ADC, yüksek hızlar içeren tasarımlar , farklı devrelerin bulunduğu tasarımlarda topraklama üzerine gibi çeşitli şekillerde devam etmekte.

PCB konusunda özellikle yazmak bildiklerimi öğrendiklerimi aktarmak istiyorum. Çünkü bu konuda kaynak sıkıntısı çok büyük. Biraz olsun katkımız olursa ne mutlu bize.

Son olarak da kendi pcb tasarımımızı yaptığımızda launchpad üzerinde bulunan Jtag programlayıcı ile kartımızdaki tiva yı programlayıp debug yapabilmek için gerekli bağlantı şemasını ekliyorum.

Bağlantıları şekildeki gibi yaptıktan sonra kendi tiva kartınıza program atabilmek için bir de VDD jumper ını boşa alarak launchpad üzerindeki işlemcinin enerjisini kesmeniz gerek. Gerisi aynı launchpad e program yükler gibi. Farklı bir şey yok. Bir de unutmadan tasarladığınız tüm tiva kartlara mutlaka reset butonu bırakın. Çünkü program yükledikten sonra işlemciye reset atmanız gerekiyor. Güç kaynağını kapatıp açmaktan daha kolay olacaktır özellikle geliştirme aşamasında.

tiva to card

Denemedim tam ama jtag pinlerinin yanındaki pinlerede seri port çıkışlarından kablo çekerseniz sanırım direk bilgisayarla comport üzerinden haberleşebilirsiniz.

 

 

  • Vermiş olduğunuz bilgiler ile hatamı giderdim teşekkür ederim.

  • SiberLojik Teknoloji

    Hocam bu konuda yardımınıza ihtiyacım var, tiva c nin üzerindeki TM4C123GH6PMI işlemciyi programladıktan sonra söküp kendi tasarladığım karta takacağım, minimum sistem gereksinimleri nedir, yardımcı olursanız sevinirim…

    • Mahmut ÇETİN

      Soru biraz yanlış sanırım hocam, sistem gereksinimi derken işlemciye neleri bağlamalıyım ne şekilde bağlamalıyım onu mu soruyorsunuz? Eğer öyle ise, texas ın sitesinde kullandığınız launchpad in açık şeması var oradan bakarak aynı devreyi kurup çalıştırabilirsiniz.