Ce routage est-il correct ?

[quentin08]

Bonjour,

J'aimerais votre avis sur le routage d'une carte avant que je ne la réalise.
Il s'agit d'un circuit PLL 74HC4046 suivi de son filtre, et d'un ampli faible bruit pour éviter de commander les varicaps avec une tension trop basse.
J'ai prévu aussi une modulation FM dessus avec une entrée audio qui fera bouger le VCO.
Le VCO et les diviseurs de fréquence ne se trouveront pas sur cette carte.

Le tout risque d'être sensible aux conditions extérieures (oscillateurs, bruit environnent), j'ai donc pris quelques précautions.

En entier :

integrale.png


Ce que j'ai fait pour soigner au mieux :

Deux plans VCC pour les alimentations +5 et +8. Une réservée au 4046, l'autre à l'AOP
Avec sur chacune un filtre RC derrière qui limitera le bruit des appels de courant

alims.png


Plan de masse recouvrant toute la face arrière.
Aucun de ces 3 plans n'est fendu. J'ai fait ça en prolongeant certaines pistes, pour bloquer les plans à certains endroits.

plan_vcc5_vcc8_gnd.jpg


Blindage du filtre et de la partie amplification.
Les blindages seront des couvercles en métal calés comme indiqué en orange, et en contact avec le plan de masse derrière.
Pour faire mes tests, tous les composants du filtre seront échangeables par des connecteurs tulipe.
Gauche : filtre
Droite : amplification

blindage.png


La partie modulateur FM.
C'est simplement un passe haut avec deux schottky en tête bêche pour limiter l'amplitude et centrer autour de 0. Suivi d'un atténuateur, le tout connecté à l'entrée du VCO à travers une résistance de forte valeur. S'active à l'aide d'un connecteur lorsque l'on souhaite l'utiliser.
Ce connecteur (en orange) fait plus d'un centimètre de long pour que lorsque la partie FM n'est pas utilisée, la diaphonie ne vienne pas interférer avec l'entrée du VCO.

fm.png


Plan de masse connecté par deux entretoises vers le châssis.

Capas 100nF de découplage au plus proche des circuits.

L'AOP est un faible bruit TL071.


La carte fonctionne sous 1 KHz. J'ai pris beaucoup de précautions, mais en voyez-vous d'autres à apporter ?
Je pensais aussi séparer en deux plans de masse, un pour le +5 et un pour le +8

Qu'en pensez-vous ?
Y a t-il autre chose à améliorer ?

Merci
-----

[Antoane]

Bonjour,

Il faudrait quelques détails supplémentaires :
- les schémas, sans lesquels il n'est pas aisé - en dépit de tes explications - de suivre le chemin des signaux ;
- les caractéristiques électriques des signaux : tu parles de 1 kHz, de modulation FM (porteuse à 1 kHz ou dans la bande 100 MHz ?)... et quelle est l'amplitude typique des différents signaux ?

Pour la suite, je crains de devoir laisser la main.

[freepicbasic]

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc4046a.pdf

La modulation FM jusqu'a 18Mhz
C'est pas la bande 88-108Mhz !

Ou alors il faudra des étages multiplicateurs et la bande de module sera aussi multipliée.

On s'en servait pour moduler les datas genre 9600bd dans les anciens modems avant le V90...

1Data sheet acquired from Harris SemiconductorSCHS204JFeatures•
  Operating Frequency Range-  Up to 18MHz (Typ) at VCC = 5V

[quentin08]

Bonjour,

- les caractéristiques électriques des signaux : tu parles de 1 kHz, de modulation FM (porteuse à 1 kHz ou dans la bande 100 MHz ?)... et quelle est l'amplitude typique des différents signaux ?

Le 1 KHz est ma référence pour le 74HC4046.

Les amplitudes :
0 et 5 V en entrée du 4046
En sortie du filtre, j'ai prévu de rester autour de VCC/2 pour avoir des charges/décharges à peu près linéaires.
J'ai prévu :
Min : 1.8 V
Max : 3.2 V
(la moyenne fait VCC/2)

L'ampli aura un gain de 2
Après l'amplification, on aura :
Min : 1.8 * 2 = 3.6 V
Max : 3.2 * 2 = 6.4 V

Sous 8 V, il sera capable de sortir ces tensions et commander les varicaps du VCO correctement avec une tension supérieure à 3 V.
J'ai demandé à un radioamateur, c'est important de rester au dessus de 3 V.

Le blindage :
Sert à éviter que les pistes du filtre et de l'ampli ne se comportent en antenne à certains endroits et ramassent des dizaines du µV. Sans lui, je pense qu'il y aura un effet sur le résultat final. (représenté en orange).

Les plans VCC +5 et +8 sont représentés en rouge.
Le plan de masse recouvre toute la face arrière.

On voit la partie audio qui fera bouger le VCO à travers la résistance verticale de forte valeur pour produire la FM.
Elle peut être désactivée en enlevant le connecteur.

Le VCO et les diviseurs programmables sont sur des cartes différentes.
Ce n'est pas pour du 100 MHz, j'ai prévu un VCO de 5 à 6 MHz sinus avec une remise en forme carré suivi d'un diviseur par N allant de 5000 à 5999 pour le ramener à 1 KHz, référence du synthétiseur. Je sais que le taux de division est important et les problèmes que cela peut provoquer. On en a déjà parlé dans une autre discussion, mais ici, c'est surtout la question du routage pour éviter les problèmes de CEM. Je ne suis pas vraiment au point dans ce domaine.

J'ai pris beaucoup de précautions pour le meilleur rendu possible.

Merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vincent PETIT]

Salut,
C'est très compliqué de se prononcer sans voir un schéma complet. Il faut considérer deux aspects de la CEM, celle interne à la carte et celle externe.

Pour les problèmes internes :
- Il faut faire attention au placement et s'assurer que le chaînage des courants soit cohérent. A titre d'exemple, si la partie analogique est prise en sandwich entre la partie alimentation et la partie numérique c'est qu'on s'est planté.
- Il faut faire attention au crosstalk c'est à dire au couplage capacitif et ou inductif entre les pistes, mais vu les fréquences en jeu ici il n'y aura pas de problème. De manière générale, on fait attention à ne pas se retrouver avec des longues pistes en parallèle avec des variations rapides de tension (sinon on recréait un condo) ou alors de se retrouver avec une piste qui fait une boucle (sinon un recréait une antenne) à proximité d'une piste avec des variations rapides de courant. Avec plusieurs couches, router en croiser sur chaque couche est très efficace. On gagne aussi en efficacité par éloignement ou à l'aide d'une séparation, entre une victime et un perturbateur, par une piste de masse.
- On fait un plan de masse pour écarter tout problème de couplage par impédance commune et pour réduire les boucles de masses.

Pour les problèmes externes
- On place les protections CEM, en conduit donc ce qui arrive par les câbles, au plus près du connecteur mais ici j'ai un peu de mal à voir où est le(s) connecteur(s).
- On créait un plan de masse pour réduire les couplages champs (électromagnétique) à boucle (piste qui font des boucles, boucles de masse, une piste qui évite un trou et qui forme presque une boucle en revenant sur elle même, ...) car avec un plan de masse, les boucles qui disparaissent sont ; un signal avec sa masse et une alimentation avec sa masse.

Pour moi, le blindage de type couvercle est plutôt fait pour garder la maîtrise des couplages alentours (genre tu approches ton doigt ou tu places un composant à proximité, ce qui amène involontairement une nouvelle capacité, et ton VCO ne donne plus la bonne fréquence) que pour une protection contre les champs électromagnétique. Pour cette dernière le plan de masse est redoutablement efficace car il agit comme un réflecteur, comme une parabole de réception satellite, quasiment tout le champs et réfléchi. Néanmoins c'est une bonne idée d'en mettre si tu peux.

Ce qui me surprend par contre c'est que le VCO se trouve sur un autre PCB car ce sont les câbles de connexion qui sont les plus exposer en CEM.

Séparer les masses +5V et +8V amènerait une boucle de masse, donc une antenne puisque le courant sortant du filtre (+5V) et allant dans l'ampli (+8V) retournera à sa masse et si tu suis son cheminement tu verras que tu as fait une boucle. C'est le piège de la masse en étoile car voilà ce qui arrivera si tu sépares les masses.

[quentin08]

Bonjour,

Merci pour cette réponse complète.

Ce qui me surprend par contre c'est que le VCO se trouve sur un autre PCB car ce sont les câbles de connexion qui sont les plus exposer en CEM.

C'est comme ça que j'avais imaginé les choses, mais il n'est pas encore fabriqué, je peux le mettre avec sur la carte en serrant un peu.

Séparer les masses +5V et +8V amènerait une boucle de masse, donc une antenne puisque le courant sortant du filtre (+5V) et allant dans l'ampli (+8V) retournera à sa masse et si tu suis son cheminement tu verras que tu as fait une boucle. C'est le piège de la masse en étoile car voilà ce qui arrivera si tu sépares les masses.

Donc, un seul plan de masse pour éviter les boucles.

Pour le courant traversant l'AOP, es-ce que c'est sa capacité d'entrée qui permet cela ? Le courant de boucle est donc alternatif ?

Autre problème, la partie produisant l'horloge est sur une autre carte, donc avec sa propre masse. Le fait de connecter les deux cartes va provoquer une boucle ?

Merci

[Vincent PETIT]

C'est comme ça que j'avais imaginé les choses, mais il n'est pas encore fabriqué, je peux le mettre avec sur la carte en serrant un peu.

Moi c'est ce que je ferai.
Quand je faisais de la CEM j'ai vu a quel point il est difficile de rejeter les perturbations arrivant par les câbles car il faut prendre en compte l'interconnexion des masses mais aussi la nature du signal qui passe dans le câble. Un exemple en audio : Il est de coutume de relier le blindage d'un câble que d'un seul côté afin d'annuler l'effet inductif sur le fil de signal. Le couplage est en effet inductif on aura affaire a des variations de courants perturbateurs dans dans le blindage, la tension restera faible vue l'impédance du blindage donc peu d'effet de couplage capacitif, et un couplage inductif en champs proche est fortement magnétique, d'où l'effet d'induction dans le signal audio à l'intérieur. Bon ceci étant fait, on a amené deux nouveaux problèmes. 1- Plus de blindage et même pire que ça, c'est maintenant une antenne (un courant variable dans un fil relié que d'un seul côté), 2- On a créé une boucle de masse qui va perturber autre chose dans le système (voir juste en dessous pour l'explication). Bref, moins tu auras de câble et mieux ce sera.

Pour le courant traversant l'AOP, es-ce que c'est sa capacité d'entrée qui permet cela ? Le courant de boucle est donc alternatif ?

En numérique tu connais ces courants sous le nom de IOH qui s'en va dans le IIH et dans un AOP tu as le i_bias (le courant de polarisation minimum), même si il est très petit ce i_bias va tirer un peu de courant sur le circuit en amont et ce courant va suivre la loi des noeuds pour revenir sur lui même. C'est le sens des petites flèches que j'ai dessiné sur ton schéma. Le courant étant tiré du filtre il faut que ce courant retourne au GND_DU_5V sauf que ce courant arrive dans l'AOP qui est référencé au GND_DU_8V et il va donc faire tout le tour pour retourner d'où il vient.

La boucle de masse c'est précisément la surface de cette boucle !

Autre problème, la partie produisant l'horloge est sur une autre carte, donc avec sa propre masse. Le fait de connecter les deux cartes va provoquer une boucle ?

Exactement ! Comme dans le cas que je viens de cité juste au dessus et que tu as visiblement bien compris. S'ils ont une masse commune on a ça :

[quentin08]

Bonjour,

Je ne me rendais pas compte que j'allais être embêté avec tout ça.

Je pensais fixer toutes les cartes sur un châssis général avec des entretoises, mais ça va faire des boucles comme celle-ci :

1 : Carte d'horloge
2 : Carte PLL (par le lien rouge)
3 : Plan de masse carte PLL
4 : Entretoises carte PLL
5 : Châssis
6 : Entretoises carte d'horloge
7 : Plan de masse carte d'horloge
8 : Carte d'horloge ( =1 )



Je pensais remplacer le contact rouge par un optocoupleur pour couper le lien (2 au dessus), mais je n'aurais plus les fronts aussi raides que me donnaient les 74HC.

Je pensais aussi à souder des plaques de métal entre plans de masse pour que le tout soit vu comme une seule grande carte avec un plan de masse unique.

Comment faire pour relier plusieurs cartes et éviter ces problèmes ?

Encore merci

[Vincent PETIT]

Je pensais fixer toutes les cartes sur un châssis général avec des entretoises, mais ça va faire des boucles comme celle-ci :

1 : Carte d'horloge
2 : Carte PLL (par le lien rouge)
3 : Plan de masse carte PLL
4 : Entretoises carte PLL
5 : Châssis
6 : Entretoises carte d'horloge
7 : Plan de masse carte d'horloge
8 : Carte d'horloge ( =1 )

Exactement ! Mais les boucles de masses sont parfois inévitables.

Et tu arrives maintenant à la dernière analyse ; la surface de la boucle car c'est principalement elle qui pose problème. Une boucle de masse c'est une antenne à boucle et elle est, comme son nom l'indique, victime du couplage champs à boucle http://fr.electrical-installation.or...ar_rayonnement Il faut donc minimiser sa surface, mais quelle est elle ?

Je t'ai fait un petit dessin (je commence à devenir un bête en infographie )





La boucle de masse c'est la surface est entre le signal et sa masse. Si on regarde côté des PCB on voit que la surface est petite, c'est l'espacement entre le plan 0V et la piste sur la couche du dessus dans le schéma. Mais au niveau du câble c'est la surface entre le câble et la tôle métallique.

Je pensais remplacer le contact rouge par un optocoupleur pour couper le lien (2 au dessus), mais je n'aurais plus les fronts aussi raides que me donnaient les 74HC.

Bonne idée également mais c'est vrai que tu y perdras en slewrate.

Je pensais aussi à souder des plaques de métal entre plans de masse pour que le tout soit vu comme une seule grande carte avec un plan de masse unique.

Bonne idée aussi.

D'autres idées :
- plaquer le câble contre la tôle (comme dans les avions, les voitures, ou dans les industries avec les chemins de câbles),
- utiliser une paire de fil, l'un étant le signal et l'autre la masse (comme dans certain câble en nappe où on intercalait une masse entre chaque signal),
- prendre un câble blindé avec la masse reliée de chaque côté mais ça fait riche surtout si tout est dans un boîtier métallique.

Encore merci

Y a pas de quoi
Un jour amuse toi a refaire cette démarche avec deux appareils audio dont le câble blindé les reliant n'est connecté que d'un seul côté et avec par dessus le marché câblés en étoile (la surface de boucle de masse peut devenir incroyablement grande et le ronflement a effectivement été supprimé mais en échange d'une antenne sur le signal audio lui même)

[quentin08]

Bonjour,

Je t'ai fait un petit dessin (je commence à devenir un bête en infographie )

Oui je vois ça ! J'ai aussi un level expert ++ option remplissage de rectangle sur Paint

Je pensais aussi à souder des plaques de métal entre plans de masse pour que le tout soit vu comme une seule grande carte avec un plan de masse unique.

J'ai voulu faire sur plusieurs cartes par manque de place et pour remplacer facilement une fonction en cas d'erreur, ou de modification.
Si je soude des plaques entre plans de masse, remplacer une fonction va être compliqué.

Je pensais donc faire un contact de 4-5 cm² entre plans de masse avec une plaque. Cela en les serrant bien avec plusieurs vis et écrous pour que chaque extrémité appuie bien de chaque coté. Et en nettoyant les surfaces en commun au dissolvant. (Contacts sans soudures)

Es-ce qu'avec cette méthode, la résistance serait assez faible pour que le tout soit équivalent à un seul plan de masse ?

Merci

[gwgidaz]

Bonjour,

Il suffit de réaliser une liaison de masse entre cartes à proximité ( sous) la liaison considérée. Le principe fondamental, c'est que cette masse, qui constitue le conducteur "retour" de la liaison, reste à proximité immédiate du conducteur"aller".

Voir pour plus de détails le site , chapitre 8, paragraphe "liaison entre cartes": https://pratique-rfcircuits.monsite-orange.fr/

[quentin08]

Bonjour,

J'ai prévu une liaison de retour sous l'horloge, mais il va y avoir une boucle avec la masse du 7805 de la deuxième carte.

Il faut donc que je coupe la masse en bleu vers cette carte, et amener uniquement le VCC sans la masse.
Sinon, le courant de retour va passer par la liaison sous l'horloge, et par la masse en bleu de la deuxième carte.

C'est bien ça ?




Merci

[Vincent PETIT]

Salut,

J'ai prévu une liaison de retour sous l'horloge

Parfait !

mais il va y avoir une boucle avec la masse du 7805 de la deuxième carte.

Non, une boucle de masse c'est la surface entre un signal et sa masse. Ici tu as une surface entre deux même masses c'est ce qu'on appelle un maillage de masse.

Tu as l'impédance du plan de masse et en parallèle la masse du 7805 de droite. Globalement tu as amélioré (un poil) l'impédance totale.

Pour fixer l'idée, si tu voulais améliorer encore plus la masse, tu tirerais un nouveau fil en parallèle du fil bleu pour encore baisser l'impédance, et puis partant de là tu pourrais en tirer plein d'autres mettant ainsi beaucoup d'impédances en parallèles. Enfin tu te rendrais compte qu'en faisant ça tu es entrain de créer un plan de masse tellement tu aurais mis de fil en parallèle. C'est le maillage parfait.

[jojo150393]

Une petite recommandation au niveau du châssis.
La connexion par entretoise même petite n'est vraiment pas une bonne connexion. En fait, la majorité du contact se fait dans une partie du filetage de l'entretoise ce qui est une connexion très impédante.
Une meilleur connexion est d'avoir bombement qui viennent contre la masse de la carte.

Une solution plus facile à réaliser est d'utiliser une tresse entre le PCB et le châssis le tout maintenu par des vis. Attention, les vis sert uniquement à maintenir en contact 2 surfaces grandes mais pas à assurer la connexion électrique.

[Vincent PETIT]

En fait, la majorité du contact se fait dans une partie du filetage de l'entretoise ce qui est une connexion très impédante.

Oui... si on oublie les rondelles

Attention, les vis sert uniquement à maintenir en contact 2 surfaces grandes mais pas à assurer la connexion électrique.

Tout à fait !

Voici comment on doit faire avec des entretoises/colonnettes ; la rondelle supérieure est prise en sandwich entre le dessous de la tête de vis et la pastille métallisée côté TOP. L'entretoise est prise en sandwich entre la pastille métallisée côté BOTTOM et la tôle métallique. La tôle métallique est prise en sandwich entre le dessous de l'entretoise et la rondelle tout en bas. Le filetage ne sert qu'a mettre en appuie toutes les surfaces plates (que j'ai représenté en rouge transparent).



A+
ps : je vais changer de job et devenir illustrateur