I2C mit offenem Ende

>die Anstiegszeit des Signals

Ist mir neu. Ich guck mir die Periodendauer an um eine Aussage über die 
Auswirkungen der Reflexion machen zu können ("Stufendiagram"). Wie 
spielen da die Anstiegszeiten mit rein?

[off topic]
@Falk Brunner

Nanu... bist du kein Admin mehr?
[/off topic]

> Hast du irgendwo gelesen, dass I2C terminert wird? Nein.

Aha, interessante Begründung.

> Das ist falsch.

Der Beitrag ist Käse.

Die Messung eines 10kHz-Signals, das in 100m Leitung eingespeisst wird, 
spiegelt aber auch nicht den Gegenstand der Diskussion wieder.

Dieter könnte ja mal freundlicherweise sagen, wie lang sein Bus nun 
tatsächlich ist und zwar mit und ohne Anschluss zusätzlicher Teilnehmer. 
Dieses Gebrabbel um den heissen Brei nervt.

Damit mancher jetzt nicht über Falks Rechnung grübelt: R_A ist 
versehentlich Z0+Ztreiber zusammen.

Der Ausgangswiderstand beträgt also 200 Ohm;-))

200 Ohm -> 2V   Abfall
50  Ohm -> 0,5V Abfall

600 Ohm vorne unten hinten fehlangepasst. Das sollte nur verdeutlichen 
worum es mir geht. Oberer Verlauf zeigt Eingang, unterer Verlauf zeigt 
Ausgang einer Leitung auf die ein Rechteck gegeben wird. Anhand der 
ersten Stufe des oberen Verlaufs kann man z.B. den Wellenwiderstand der 
Leitung ablesen da zu diesem Zeitpunkt noch keine Reflexion auftritt 
(Lauzeit; Quellwiderstand und Wellenwiderstand bilden einen 
Spannungsteiler). Untere Welle zeigt wie gesagt den Ausgang. 
Wellenwiderstand und Senkenwiderstand bilden wiederum einen 
Spannungsteiler, es tritt jedoch sofort positive Reflexion auf (deswegen 
ist die erste Stufe auch fast doppelt so hoch wie die erste Stufe am 
Eingang). Die Welle vom Ausgang läuft zurück und wird am Eingang wieder 
positiv reflektiert was sich in der zweiten Stufe im oberen Verlauf 
äußert. Das Spiel zieht sich bis ins unendliche hin, beide Verläufe 
nähern sich dabei der Quellspannung an (bei einem Sprung am Eingang).

Vielleicht ist jetzt verständlich warum ich bei einem offenem Ende eines 
I²C Busses leicht ins grübeln komme ob das so gut sein kann 
(Leitungslänge auf PCB circa 20cm).


an Durchblicker:

Wie kannst du eine Aussage über die Frequenz machen wenn du keine ganze 
Periode siehst? Alpha ist nicht immer 0.5. Zudem scheint es ja sowieso 
um die Anstiegszeit zu gehen. Das Leben ist hart.


an Falk Brunner:

Was soll ich bit diesem "Bildformate"-link anfangen? Willst du es als 
Bitmap haben? Als wenn ich Zeit habe mir diesen Stuss durchzulesen um 
anschließend das Bild - das ich nicht löschen kann - nochmals als GIF 
hochzuladen nur damit man 20KByte spart.

Naja, Dieter, das musste ja kommen. Erst die Leute mit irgend einem 
Käseoszillogramm beeindrucken wollen und wenn dann ein Kommentar kommt, 
auch noch spitzfindig werden. Deine Anmerkung ist selbstverständlich 
hochkorrekt. Aber Deine Schlauheit hilft Dir nicht weiter, da Du meine 
eigentliche Frage immer noch nicht beantwortet hast. Das musst Du auch 
nicht mehr:

1. Du kannst Deine Anfrage sehr gut selber beantworten. Die Grundlagen 
verstehst Du sehr gut und schlau bist Du obendrein.

2. Ich klinke mich hier mal aus, werde die Diskussion aber mit Vergnügen 
weiterverfolgen.

an Falk Brunner (nicht Gast):

> Schöne Beschreibung, aber die hatten wir schon über 9 Stunden eher hier
> drin.

Echt? Kommt davon wenn man deine Beiträge ungelesen übergeht. Krokodile 
zeigen sich nur wenn man sie reizt.



an Durchblicker:

> da Du meine eigentliche Frage immer noch nicht beantwortet hast

Nicht? Ich denke schon: "Leitungslänge auf PCB circa 20cm"



Die Eingangsfrage ist leider nicht definitiv beantwortet. "Kann es 
Probleme mit Reflexionen geben?" (und NICHT "Es wird Probleme geben!"). 
Ich denke ja nicht, aber die Frage wollte ich in die Runde stellen. 
Bisher fiel das Stichwort 'Anstiegszeit', warum wieso weshalb das 
relevant sein soll ist immernoch nicht geklärt.

>Die Eingangsfrage ist leider nicht definitiv beantwortet. "Kann es
>Probleme mit Reflexionen geben?" (und NICHT "Es wird Probleme geben!").
>Ich denke ja nicht, aber die Frage wollte ich in die Runde stellen.
>Bisher fiel das Stichwort 'Anstiegszeit', warum wieso weshalb das
>relevant sein soll ist immernoch nicht geklärt.

Ich hatte bisher nie Probleme mit I²C und Reflexionen - und 20cm 
Leitungslänge kommen immer wieder vor.

Die Anstiegszeit ist deshalb relevant, weil es auf jeder 
fehlabgeschlossenen Leitung zu Reflexionen kommt - negativ wirken tun 
sie aber nur, wenn die Flanke so schnell ist, dass ein reflektierter 
Anteil sie verformen kann. Bei 20 cm ist die einfache Laufzeit etwas 
mehr als 1 ns. Wenn deine Flanken rund 10ns oder mehr Anstiegszeit 
haben, spielen Effekte durch Reflexionen von 20cm Leitung keine Rolle 
mehr.

Auch können Schaltungseingänge mit Reflexionen auf dem Signal leben, 
wenn sie selber nicht sehr schnell sind. Bei I²C glaube ich nicht, dass 
die auf Spikes im Sub-Nanosekundenbereich noch reagieren ....

Je steiler Flanken sind, desto größer ist der Anteil hoher Frequenzen im 
Signalspektrum. Deshalb ist die zu betrachtende Wellenlänge nicht bei 
<100m sondern eben viel kleiner. Es gibt da auch eine näherungsweise 
Umrechnung von Anstiegszeit zur Frequenz (immer wieder interessant bei 
der Überlegung zur notwendigen Bandbreite eines Scopes) - die habe ich 
aber leider nicht auswendig im Kopf.

Wirklich tolle Erklärungen Jungs!

Ich verstehe jedoch nicht, warum nur die Flanke ausschlaggebend ist.


Gedankengang:

Sicher 'verstecken' sich in ihr die höchsten Frequenzanteile, aber 
reflektiert werden doch trotzdem alle, oder sehe ich das falsch? Wenn 
man das Ganze spektral betrachtet erzeugt doch jeder Anteil (also jede 
Frequenz) einen eigenen Wellenwiderstand, der Wellenwiderstand 
beschreibt also eine Funktion über der Frequenz - wenn dem so ist, dann 
müsste diese Funktion mit der Frequenz steigen (also der Widerstand 
nimmt zu) wenn der induktive Leitungsbelag überwiegt, wovon ich für 
meine erste Betrachtung erstmal ausgehe. D.h., je höher die 
Frequenz/steiler die Flanke, desto höher der Wellenwiderstand - er 
nähert sich elektrisch gesehen also immer mehr dem offenen Ende an, also 
wird die 'Anpassung' immer besser, d.h. weniger Reflexionen. Unsinn, 
dieser Gedankengang scheint mir völlig falsch. Neu:
Der Wellenwiderstand ist in guter Näherung frequenzunabhäng (vllt gibt 
es ja sowas wie Dispersion auf Lichtleitern was vernachlässigbar ist). 
Spektrale Betrachtung ist Blödsinn, ausschlaggebend ist die Zeitebene. 
Worst Case: Bei einem unendlich langen Leiter mit ausgangsseitiger 
Fehlanpassung (hochohmiger Eingang) beschickt mit einem (!) Dirac tritt 
genau einmal eine Reflexion auf wenn die Quelle angepasst ist (Zeit 
spielt keine Rolle ;) ). Dem Eingang dürfte es egal sein, er sieht die 
doppelte Amplitude. Eingänge die weiter vorne an der Leitung sitzen 
bekommen die erste hinlaufende und danach eine zweite rücklaufende Welle 
mit. Ähnlich verhält sich das bei einem Rechteck. Wenn ich nunmehr genau 
eine Periode eines niederfrequenten (Nebenbei: also vergleichsweise 
geringe Steilheit; aber irrelevant weil eh nur eine Frequenz???) Sinus' 
auf dieselbe Leitung schicke wird dieser dann ebenso reflektiert? Ich 
glaub das ist alles kompletter Schwachsinn.....entweder ist das zu hoch 
für mich oder ich denk zu kompliziert    :|

Hi

'Ich glaub das ist alles kompletter Schwachsinn.....'

Der erste wahre Satz. An deiner Stelle würde ich mich wegen deiner 
Platine überhaupt nicht heiss machen. Schlimmer wäre es, wenn du die 
PullUps vergisst. Ich habe vor einigen Monaten eine Platine mit I2C 
geroutet und in Betrieb genommen (ca. 32x30cm). I2C geht über mehrere 
Ecken quer über dir ganze Platine. In der Testphase waren auch einige 
Empfänger nicht bestückt und es gab keine Probleme.
Wellenwiderstand und Reflektionen scheinen hier gerade in Mode zu sein. 
Das ist dann die richtige Spielwiese für Panikmacher und selbsternannte 
Experten.

MfG Spess

>Sicher 'verstecken' sich in ihr die höchsten Frequenzanteile, aber
>reflektiert werden doch trotzdem alle, oder sehe ich das falsch?

Richtig!

>Wenn man das Ganze spektral betrachtet erzeugt doch jeder Anteil
>(also jede Frequenz) einen eigenen Wellenwiderstand, der Wellenwiderstand
>beschreibt also eine Funktion über der Frequenz -

Falsch! Der Wellenwiderstand ist eine Eigenschaft der Leitung und wird 
durch deren Geometrie und die Dielektrizitätskonstante zum Rückleiter 
bestimmt.

>D.h., je höher die
>Frequenz/steiler die Flanke, desto höher der Wellenwiderstand - er
>nähert sich elektrisch gesehen also immer mehr dem offenen Ende an, also
>wird die 'Anpassung' immer besser, d.h. weniger Reflexionen. Unsinn,
>dieser Gedankengang scheint mir völlig falsch.

Richtig: der Gedankengang ist völlig falsch! Eine Betrachtung mit 
diskretem L und C ist nicht korrekt. Allenfalls eine Betrachtung mit 
(unendlich) vielen infinitesimal kleinen Ls und Cs.
Richtige Anpassung gibt es nur mit dem richtigen Abschlusswiderstand, 
Leerlauf ist wie Kurzschluss der Extremfall der Fehlanpassung!

>Bei einem unendlich langen Leiter mit ausgangsseitiger
>Fehlanpassung (hochohmiger Eingang) beschickt mit einem (!) Dirac tritt
>genau einmal eine Reflexion auf wenn die Quelle angepasst ist (Zeit
>spielt keine Rolle ;) ). Dem Eingang dürfte es egal sein, er sieht die
>doppelte Amplitude.

Fast richtig. Zunächst halbiert sich die Amplitude weil es einen 
Spannungsteiler gibt zwischen dem Innenwiderstand der Quelle (angepasst 
= Z) und dem Wellenwiderstand der Leitung, Z. Dadurch dass am Ende 
Leerlauf herrscht, wird diese halbe Amplitude reflektiert: 1/2 + 1/2 = 
1; man erhält die volle Leerlaufamplitude der Quelle, nicht die 
doppelte.
Deshalb sieht der Eingang am Leitungsende die volle Amplitude - genau 
das will man ja.

>Eingänge die weiter vorne an der Leitung sitzen
>bekommen die erste hinlaufende und danach eine zweite rücklaufende Welle
>mit.

Ja, deshalb kann man bei der nur quellseiteig abgeschlossenen Leitung 
auch entlang der Leitung nichts brauchbares abnehmen - nur am Ende!

>Ähnlich verhält sich das bei einem Rechteck.

Ob Diracstoß oder Rechteck, es verhält sich gleich.

>Wenn ich nunmehr genau eine Periode eines niederfrequenten (Nebenbei: also 
>vergleichsweise geringe Steilheit; aber irrelevant weil eh nur eine
>Frequenz???) Sinus' auf dieselbe Leitung schicke wird dieser dann ebenso 
>reflektiert?

Ja natürlich! Und: die Reflexion hat mit der Frequenz nichts zu tun und 
mit der Kurvenform auch nicht. Lediglich die Überlagerung von 
vorwärtslaufendem und reflektiertem Teil gibt natürlich je nach 
Signalform interessante Bilder. Bei nur einer Frequenz vereinfacht sich 
dies zur einer Veränderung der Amplitude und Phase der Sinusschwingung. 
Es bleibt aber ein Sinus.

>Ich glaub das ist alles kompletter Schwachsinn.....entweder ist das zu
>hoch für mich oder ich denk zu kompliziert    :|

Es ist kein Schwachsinn, du denkst zu kompliziert :-) Vielleicht erkläre 
ich auch zu kompliziert.

Stell dir eine sehr langsam ansteigende Spannung an einer am Ende 
fehlabgschlossenen Leitung mit einer einfachen Laufzeit von 1ns vor (so 
ca. 10-15cm lang). Jetzt steigt deine Eingangsspannung in 100ns um 1V 
oder in 1 ns um 0.01V an. Das siehst du und deine Schaltung nicht mehr 
wenn es um insgesamt z.B. 3V Amplitude geht. Die langsame Flanke ist 
noch am Steigen, während die Reflexionen wieder laufend zurückkommen.

Ist die Flanke jedoch in 100ps auf 3V, so läuft sie auf Grund des o.g. 
Teilers zunächst mit halber Amplitude zum offenen Ende, wird dort 
reflektiert und ist nach 2ns (2*Leitungslaufzeit) wieder am Anfang. Dort 
trifft die Flanke auf einen sauberen Abschluss und der Spuk hört auf. 
Auf Grund der schnellen Flanke im Vergleich zur Leitungslaufzeit wird 
dieser Vorgang eben aufgelöst und ist mit einem (schnellen) Scope auch 
messbar.
Deshalb ist die Flankensteilheit dafür ausschlaggebend, ob mir die 
Refelxion weh tut oder nicht. Schaltungen, die ausreichend schnelle 
Flanken liefern, reagieren eben auch auf schnelle Flanken.

Deshalb spielt das bei I2C keine Rolle. Wie sagte doch Falk Brunner 
(falk) schon:
>weil I2C schnarchlangsam ist

Ich war gestern abend nicht mehr ganz Herr meiner Sinne, aber jetzt 
leuchtet es mir ein: Wenn sich hinlaufende Flanke und rücklaufende 
Flanke (was bei einem langsamen Anstieg ja die Gleiche ist) überlappen 
ist alles gut. Ist diese Flanke jedoch sehr schnell dann gibt es 
'stufiges' Verhalten, es können Lücken auftreten die von den an der 
Leitung verteilten Empfängern als seperate/unterschiedliche/unabhängige 
Flanken gedeutet werden könnten bzw. andere Pulse überlagern könnten...

Dieter, ich freue mich über den Erfolg meiner Bemühungen ;-)
Du kannst dein I²C beruhigt so bauen und hast noch was gelernt über 
Impulse auf Leitungen!
Weitere Infos gibts bei
http://www.google.de/search?hl=de&q=Impulse+auf+leitungen&btnG=Google-Suche&meta=

> ... verteilten Empfängern als seperate/unterschiedliche/unabhängige
>Flanken gedeutet werden könnten ...
Schlimmstenfalls sogar als Doppelflanke - besonders problematisch bei 
Takten. Es sind ja nur theoretisch rechteckige Treppen - praktisch 
treten an der Stufe auch noch kleine Überschwinger auf.

Ich freue mich auch...   Da hab ich wirklich viel zu kompliziert 
gedacht, Dank an alle die dabei geholfen haben mein Hirnknoten zu 
entflechten!



> Mit einem Slewratebegrenzten Treiber dazwischen, waren die Probleme weg.

Ein T-Glied als Tiefpass hätte es fürs Erste auch gemacht, oder? T-Glied 
weil bidirektionale SDA...


    -------o---R-------R---o---------o-----
   |               |                       |
 Quelle            C         Leitung     Senke
   |               |                       |
    -------o---------------o---------o-----

Nachtrag:
Tolle Java-Animation auf der Seite der Ruhr-Uni Bochum, Institut für 
HF-Technik
http://www.hf.rub.de/lehre/Animationen/Leitung2.html

Ich hatte eigentlich damit gerechnet, dass das Thema erledigt ist. Aber 
bei

>Ein T-Glied als Tiefpass hätte es fürs Erste auch gemacht, oder? T-Glied
>weil bidirektionale SDA...
>
>
>    -------o---R-------R---o---------o-----
>   |               |                       |
> Quelle            C         Leitung     Senke
>   |               |                       |
>    -------o---------------o---------o-----

muss ich heftig warnen:
Ein RC-Glied, z.B. am Anfang der Leitung, führt dazu, dass die 
rücklaufende Welle auf das C trifft und dieses als Kurzschluss 
empfindet! Also: erneute Totalreflektion.
Nur durch das zweite R (auf Leitungsseite) kannst du das wieder in den 
Griff bekommen.
So ein C hat mir mal mehrere Tage Fehlersuche beschert. Bisher 
funktionierende Schaltung (nicht meine!) mit CPLD/FPGA als Empfänger hat 
zwei- dreimal am Tag Fehler. Alte Geräte funktioniern, die neuen 
produzieren Fehler. Was war passiert? Neuerdings wird die nächste 
Version des CPLD/FPGA eingesetzt und das ist mit der nächst schnelleren 
Technologie hergestellt worden. Nun reagierte es auf die erneut 
vorlaufende Welle. Behebung: C entfernt. Das Signal war ein Takt und 
hatte nur ein paar Kilohertz.

Daher meine Äusserung "fürs Erste". Natürlich muss man dann wieder 
zusehen, dass man einigermaßen angepasst ist vom Filter/zum Filter. 
Keine Sorge HildeK, das Thema ist erledigt, es war nur wieder ein 
kleiner Gedanke den ich teilen wollte  ;)