为什么施密特触发器对SPI有用？

Question

我知道施密特触发器是一种很好的方法，可以根据阈值将浮动或噪声信号转换为高或低。它在其他中提到螺纹施密特触发器可以帮助处理长SPI信号。在我的情况下，我想以10 MHz的时钟频率在1米以上传输SPI信号，每条SPI线与地线绞合，无差分信号，33欧姆终端，26或28AWG电线，以及屏蔽并连接到地面的整个电线电缆。SPI设备是BME680型温度、压力和湿度传感器。

然而，为什么施密特触发器有助于与SPI通信，因为微处理器已经根据阈值将信号读取为高或低？或者，施密特触发器只应该集成在SPI设备端吗？在我的例子中，是BME680吗？如果是这样，施密特触发器对哪些SPI引脚有利？

Answer 1

SPI是一条同步总线，这意味着控制器生成的时钟周期数需要与设备看到的数字精确匹配。

在一米长的不平衡电缆上运行20 MHz方波可能会导致各种信号完整性问题，这些问题由随机噪声、内部反射和串扰引起。如果这些影响发生在时钟的上升或下降边缘，设备可能会将其解释为额外的时钟周期，并与控制器不同步。

施密特触发器比普通缓冲器更能抵抗上升和下降边缘的这种噪声。它基本上会拒绝任何属于滞后“窗口”的内容。因此，最重要的位置是SPI时钟信号的设备端。您也可以在MOSI信号上使用一个，以使延迟更加均衡。

顺便提一下，似乎没有什么必要让温度等传感器以如此高的时钟频率开始工作。对于长串行总线，较低的速度是有利的。

Answer 2

……为什么施密特触发器有助于与SPI通信，因为微处理器已经根据阈值将信号读取为高或低？

这是思考任何信号的错误。信号不是只有高或低两种数字状态，中间没有任何东西。

每个信号都是模拟信号，模拟信号从HIGH（高）状态转换到LOW（低）状态以及从LOW（低）状态转换为HIGH状态需要时间。

所有芯片都需要在足够短的时间内进行转换，以防止出现问题。当信号从电缆中出来时，通过长电缆的信号将具有较慢的过渡时间，因为电缆是有损耗的介质，它具有电容和电阻，所以它限制了信号的带宽。

因此，即使接收器输入具有锐利的阈值，慢信号在阈值附近花费的时间太长，任何加在信号上的噪声都可能使其多次超过阈值，因此，慢边可能被视为多个时钟边，而额外的时钟边则会破坏SPI事务。

因此，由于信号必须具有快速而尖锐的转换，所以它会快速远离阈值，所以添加噪声不是问题，您可以使用施密特触发器来接收缓慢的信号边缘，它会将它们重塑为SPI芯片的快速强信号边缘。

它的作用是没有单一的阈值，只有两个用于滞后。在输入达到足够高的阈值之前，输出不会转换为高，而在输入降低到足够低的阈值之后，输出才会转换为低。因此，无论信号在两个阈值之间上升或下降的速度有多慢，或者有多少附加噪声，只要其大小不足以跨越两个阈值。

此外，由于许多原因，在1米电缆上使用20 MHz SPI总线也没有多大意义。

首先，BME680传感器仅支持10 MHz。

此外，传感器检测到的大多数变化都发生得很慢，可能每秒读取一次数据就足够了。

如果你想要1米长的电缆，可以通过I2C更容易地完成。

Answer 3

如果不知道电缆可能的阻抗，很难说。

施密特触发器将在一定程度上屏蔽反射的影响，因此它们可以帮助缓解设计不良的终端，但目前为止还没有。

在你的情况下，你可以用一个快速的示波器在你建议的接线末端测量信号（可能200MHz的示波器会给你一个好主意）。然后调整33R系列终端，直到上升和下降边缘干净。你可能会发现你需要10R到100R之间的任何地方。。。只是猜测。

现在，如果没有可怕的噪声源，你就可以使用任何足够快的门，甚至只需要接收传感器输入引脚。如果存在噪声源，那么您将受益于施密特触发器，以避免噪声在CS或CLK信号上造成意外边缘。数据信号不太可能成为问题，但它们也不能幸免。

编辑：如果您使用的是cat 5e或类似产品，那么单端信号的电缆阻抗应该是50R阻抗。