电子电路 | I2C - 通过阻抗匹配解决CLK与SDA信号的上冲与下冲

一、前言


通常I2C是用于PCB板内各个IC之间的总线通讯,此外I2C也可以用于短距离板级之间的通讯,默认波特率为100k。I2C电路必须用阻抗匹配的方法来优化SDA与SLK信号的波形,让信号波形尽量接近方波,优化信号完整性。
糟糕的波形:
在这里插入图片描述
好的波形:
在这里插入图片描述
无论是I2C电路还是SPI电路都存在同样的信号完整性问题,要使用阻抗匹配的方法来优化。阻抗匹配的前提是学会示波器的使用,利用示波器去观察波形,根据实际情况去调整阻抗匹配的方案。
分享一个CSDN的视频,有助于理解阻抗匹配。地址:https://www.bilibili.com/video/BV12u411o7f9?spm_id_from=333.999.0.0

二、案例一


2.1、实际电路

我使用安富莱的H7-TOOL作为I2C主机,外部连接6个STM32开发板,总的通讯距离大概70cm左右。
注:整个系统GND都是短接在一起的,该电路的侧重点是I2C的SDA与SLK,所以忽略了GND电路。
在这里插入图片描述
使用H7-TOOL作为I2C主站可以很方便地调试I2C从站。通讯的波形如下,其中黄色是SDA,蓝色是CLK,它们都有明显的下冲。
在这里插入图片描述
电路上的信号出现下冲与上冲根本原因是阻抗不匹配。I2C总线的阻抗匹配,我在一个CSDN博文上找到线索,结果是真的能解决信号的上冲与下冲问题。
CSDN博文:https://blog.csdn.net/Nightya/article/details/105644644

2.2、解决方案

根据CSDN博文的介绍,减缓信号下冲需要在发射端串联电阻。OK,那么我就在H7-TOOL上串联电阻开始测试波形。
在这里插入图片描述
接下来的问题是,究竟需要串联多大的电阻?为此,我尝试过22Ω,47Ω,68Ω,82Ω,100Ω。

结论:

  1. 串联22Ω时(R1=R2=22Ω),波形没有明显的变化。
  2. 串联47Ω时(R1=R2=47Ω),波形有明显的变化(下冲没有那么厉害了)。
  3. 串联68Ω时(R1=R2=68Ω),波形跟串联47Ω时的情况是差不多的。
  4. 串联82Ω时(R1=R2=82Ω),波形又比68Ω好了一些。
  5. 串联100Ω时(R1=R2=100Ω),我认为波形已经很不错了。如下图所示:
    在这里插入图片描述

三、案例二


3.1、实际电路

将H7-TOOL变成树莓派4B来看看信号的波形吧,如下是没有做信号匹配时的电路。
注:整个系统GND都是短接在一起的,该电路的侧重点是I2C的SDA与SLK,所以忽略了GND电路。
在这里插入图片描述
经过示波器观察,得到的波形如下。树莓派4B作为I2C主机时,情况更加糟糕,上冲与下冲都很明显。
在这里插入图片描述

3.2、解决方案

按照案例一的思路,我先从串联电阻开始解决信号的下冲。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
这一次,我直接串联100Ω的电阻(R1=R2=100Ω),用于I2C电路的阻抗匹配。使用示波器观察波形如下:
在这里插入图片描述
结论:

  1. 在树莓派4B的案例二上,串联一个100Ω的电阻就能解决上冲与下冲的问题。

版权声明:本文为CSDN博主「Wallace Zhang」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/wallace89/article/details/121362747

一、前言


通常I2C是用于PCB板内各个IC之间的总线通讯,此外I2C也可以用于短距离板级之间的通讯,默认波特率为100k。I2C电路必须用阻抗匹配的方法来优化SDA与SLK信号的波形,让信号波形尽量接近方波,优化信号完整性。
糟糕的波形:
在这里插入图片描述
好的波形:
在这里插入图片描述
无论是I2C电路还是SPI电路都存在同样的信号完整性问题,要使用阻抗匹配的方法来优化。阻抗匹配的前提是学会示波器的使用,利用示波器去观察波形,根据实际情况去调整阻抗匹配的方案。
分享一个CSDN的视频,有助于理解阻抗匹配。地址:https://www.bilibili.com/video/BV12u411o7f9?spm_id_from=333.999.0.0

二、案例一


2.1、实际电路

我使用安富莱的H7-TOOL作为I2C主机,外部连接6个STM32开发板,总的通讯距离大概70cm左右。
注:整个系统GND都是短接在一起的,该电路的侧重点是I2C的SDA与SLK,所以忽略了GND电路。
在这里插入图片描述
使用H7-TOOL作为I2C主站可以很方便地调试I2C从站。通讯的波形如下,其中黄色是SDA,蓝色是CLK,它们都有明显的下冲。
在这里插入图片描述
电路上的信号出现下冲与上冲根本原因是阻抗不匹配。I2C总线的阻抗匹配,我在一个CSDN博文上找到线索,结果是真的能解决信号的上冲与下冲问题。
CSDN博文:https://blog.csdn.net/Nightya/article/details/105644644

2.2、解决方案

根据CSDN博文的介绍,减缓信号下冲需要在发射端串联电阻。OK,那么我就在H7-TOOL上串联电阻开始测试波形。
在这里插入图片描述
接下来的问题是,究竟需要串联多大的电阻?为此,我尝试过22Ω,47Ω,68Ω,82Ω,100Ω。

结论:

  1. 串联22Ω时(R1=R2=22Ω),波形没有明显的变化。
  2. 串联47Ω时(R1=R2=47Ω),波形有明显的变化(下冲没有那么厉害了)。
  3. 串联68Ω时(R1=R2=68Ω),波形跟串联47Ω时的情况是差不多的。
  4. 串联82Ω时(R1=R2=82Ω),波形又比68Ω好了一些。
  5. 串联100Ω时(R1=R2=100Ω),我认为波形已经很不错了。如下图所示:
    在这里插入图片描述

三、案例二


3.1、实际电路

将H7-TOOL变成树莓派4B来看看信号的波形吧,如下是没有做信号匹配时的电路。
注:整个系统GND都是短接在一起的,该电路的侧重点是I2C的SDA与SLK,所以忽略了GND电路。
在这里插入图片描述
经过示波器观察,得到的波形如下。树莓派4B作为I2C主机时,情况更加糟糕,上冲与下冲都很明显。
在这里插入图片描述

3.2、解决方案

按照案例一的思路,我先从串联电阻开始解决信号的下冲。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
这一次,我直接串联100Ω的电阻(R1=R2=100Ω),用于I2C电路的阻抗匹配。使用示波器观察波形如下:
在这里插入图片描述
结论:

  1. 在树莓派4B的案例二上,串联一个100Ω的电阻就能解决上冲与下冲的问题。

版权声明:本文为CSDN博主「Wallace Zhang」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接:https://blog.csdn.net/wallace89/article/details/121362747

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Wallace Zhang

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