Trzecia część naszego cyklu poświęconego dynamice GPIO w STM32 odsłania prawdziwe oblicze zderzenia nowoczesnej „cyfrówki” z bezlitosną analizą EMC w domenie częstotliwości. Innymi słowy: sprawdzamy, jak naprawdę ustawienie szybkości GPIO wpływa na emisję zakłóceń RFI.
We wcześniejszych częściach tego cyklu zajęliśmy się tematyką wpływu ustawień rejestru OSPEEDR[1:0] na szybkość narastania i opadania zboczy przebiegów wyjściowych STM32. Każdy, kto zajmuje się elektroniką analogową lub zagadnieniami obwodów radiowych i/lub EMC, doskonale wie, że stromość zboczy sygnałów jest ściśle powiązana z zajmowanym przez nie widmem częstotliwościowym.
Jeżeli zapoznałaś-/eś się z materiałem zamieszczonym w drugim odcinku cyklu, zapewne pamiętasz, że różnice pomiędzy stromością zboczy dla ustawień Low speed i Medium speed były znacznie większe niż dla trybów High speed/Very high speed. Jak zatem w praktyce wygląda widmo zakłóceń elektromagnetycznych emitowanych we wszystkich czterech trybach? Czy zmiana nastawy rejestru OSPEEDR z 10 na 11 istotnie zmienia widmo emisji RFI? I wreszcie: czy naprawdę jest o co kruszyć kopię? Sprawdziliśmy to w naszym laboratorium!
Pomiary w komorze TEM
Aby rzetelnie zweryfikować wpływ nastaw OSPEEDR na widmo, przeprowadziliśmy eksperyment pomiarowy, umieszczając płytkę STM32 NUCLEO-F411RE w komorze TEM podłączonej do analizatora widma. Do pinu PC9 podłączyliśmy 30-centymetrowy przewód, którego wolny koniec wpięliśmy na jedno z nieużywanych wyprowadzeń STM32, pozostających w trybie wysokiej impedancji. Taki układ stanowi prostą symulację warunków, w których sygnał jest transmitowany przewodem, np. do innego modułu znajdującego się w obudowie urządzenia: nadajnikiem jest linia PC9 ustawiona w trybie wyjścia push-pull, zaś odbiornikiem – wejście układu cyfrowego o wysokiej impedancji.
Pomiar w trybie Low speed
Pierwszy pomiar tradycyjnie wykonaliśmy przy GPIO ustawionym na prędkość najniższą. Już tutaj widać, że widmo zakłóceń emitowanych przez płytkę NUCLEO przy częstotliwości kluczowania 690 kHz zdecydowanie nie skupia się wokół tej wartości – wyższe harmoniczne sięgają w praktyce około 100-120 MHz. Co to oznacza? Okazuje się, że nawet dla najmniej stromych zboczy widmo RFI sięga znacznie dalej, niż mogłoby się wydawać – pamiętajmy, że sam sygnał ma częstotliwość podstawową znacznie poniżej 1 MHz!
Dlaczego tak jest? Wynika to oczywiście z szerokiego spektrum sygnałów prostokątnych w dziedzinie częstotliwości. Z podstaw analizy fourierowskiej wiemy, że każdy sygnał okresowy można złożyć poprzez odpowiednie zsumowanie przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości f0 (składowa podstawowa) i jego wyższych harmonicznych (2f0, 3f0, etc….). Wprawdzie amplitudowy udział poszczególnych składowych wyższego rzędu jest coraz mniejszy (na analizatorze widma doskonale widać, że amplituda pików maleje wraz ze wzrostem częstotliwości), ale nasz sygnał wciąż zajmuje relatywnie szerokie pasmo.
Pomiar w trybie Medium speed
W drugim trybie szybkości linii PC9 widmo wyraźnie „rozlewa się” na zakres do około 240 MHz, a dalej (w zakresie od 240 do 300 MHz) pojawia się kolejne podbicie emisji. Składowe częstotliwości od początku mierzonego widma (100 kHz) do około 60 MHz są dość zbliżone pod względem poziomów szczytowych do widma zarejestrowanego w trybie Low speed.
Pomiar w trybie High speed
Tutaj różnica jest już widoczna na pierwszy rzut oka. Spektrum zostaje wyraźnie podbite nie tylko w paśmie do 300 MHz, ale także dalej, praktycznie aż do 0,5 GHz (!). Wprawdzie zakłócenia w drugiej połowie wykresu (300-600 MHz) są wyraźnie niższe (o 10-20 dBm, w porównaniu do pierwszej połowy zmierzonego spektrum), ale wciąż utrzymują się wyraźnie powyżej poziomu 0 dBm.
Pomiar w trybie Very high speed
Najwyższa nastawa dynamiki zboczy na wyjściach GPIO nie przynosi wprawdzie istotnej zmiany kształtu widma, ale mierzalnie podbija emisję w najwyższych częściach badanego spektrum, czyli prawie do 600 MHz. Na pierwszy rzut oka różnice są niewielkie, ale dobrze widać je na animowanym zrzucie ekranu, który zamieściliśmy na końcu tego artykułu.
Podsumowanie
Wykonane pomiary dobitnie pokazały, że nawet jedna, niepozorna linia GPIO pozostawiona „luzem” i kluczowana na relatywnie niewysokiej częstotliwości jest w stanie drastycznie rozszerzyć widmo emisji zakłóceń EMI i to w zakresie rzędu nawet kilkuset megaherców. Nietrudno zatem domyślić się, jak na emisję zaburzeń wpłynie skonfigurowanie większej liczby linii GPIO na nadmiernie wysoki tryb dynamiki wyjść.
Czy oznacza to, że mikrokontrolery STM32 „sieją” zakłócenia wyjątkowo mocno?
Absolutnie nie – dokładnie ten sam problem dotyczy każdego mikrokontrolera, macierzy FPGA lub innego szybkiego układu cyfrowego, który zostanie zaimplementowany bez zwrócenia uwagi na zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej. Zaletą mikrokontrolerów STM32 jest natomiast możliwość łatwego ograniczenia emisji zakłóceń poprzez świadome skonfigurowanie szybkości wszystkich wyjść stosownie do ich rzeczywistego scenariusza użycia.
Mało tego – w bardziej rozbudowanych rodzinach STM32 projektanci mają możliwość precyzyjnego ustabilizowania warunków pracy MCU nawet w szerokim zakresie temperatur otoczenia i napięć zasilania. Te dwa parametry wpływają bowiem w dużym stopniu na rzeczywistą dynamikę pracy wyjść, choć pozornie samo ustawienie rejestrów OSPEEDR powinno „załatwić sprawę”. O tych właśnie mechanizmach napiszemy więcej w ostatnim, czwartym odcinku tego cyklu publikacji.
