高速数字电路设计与实现.doc

高速数字电路设计与实现高速数字电路简介信号完整性电路的调试与测试电路板级设计1、高速数字电路简介电磁继电器、电子管、晶体管、集成电路空中飞线连接、单面敷铜板、双层电路板、多层电路板从数字电路的开展来看，高速是电路开展的趋势高速数字设计与低速数字设计相比最大差异在于无源元件的行为。这些无源元件包括导线、电路板、集成电路的封装与电路板上的过孔等等。在低速电路中，无源电路元件仅有封装局部对电路造成局部的影响在高速电路中，所有无源电路元件都影响电路的性能。高速数字设计就是研究这些无源电路元件对电路造成的各种影响，如：对信号传输的影响振铃与反射，信号间的相互作用串扰，与自然界的相互作用电磁干扰等等到底多高的速度才能称为高速？目前还没有一个权威的频率界限，工程上一般认为超过30MHz就是高速电路，也有的人认为是25MHz或50MHz。然而在高速电路的设计中，我们更关心的是信号的上升、下降时间。对于频率不高，但是边沿陡峭的信号仍然会存在某些高频信号的特性。由于频率较高的信号边沿必定很陡，所以通常把这二者混为一谈。而在高速电路中，由于时钟速率的提高，电路中的连线不能够再被当作理想导线，应该看成是传输线，电路通常需要用分布参数模型来分析工程上一般认为，对于印刷电路板上的走线或点对点的电导线长度只要大于上升沿长度的1/6，电路就表达出分布参数特性。2、信号完整性由集成电路芯片构成的电子系统更是朝着大规模、小体积、高速度的方向开展的。信号完整性Signal Integrity,简称SI是指在信号线上的信号质量，即实际传输信号与理想信号的一致性。信号质量差不完整的原因主要有：反射、串扰、地弹等等不完整的信号现象有：过冲、欠冲、阻尼震荡、非单调等。3、传输线理论传输线是微波技术中最重要的根本元件之一，传输线的研究涉及很多复杂的理论。在高速数字设计中只涉及到四种：同轴电缆、双绞线、微带线与带状线最重要参数：传输线的特性阻抗与信号在传输线中的时延。PCB板中的传输线分析对某参数：微带传输线带状传输线对于同样的电介质，微带传输线的传输速度要比带状传输线的快一般微带传输线的阻抗也比带状传输线的高。4、反射及端接技术传输线上只要出现阻抗不连续点就会出现信号的反射现象信号线的源端与负载端、过孔、走线分支点、走线的拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。如果负载阻抗小于传输线特性阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线特性阻抗，反射电压为正。反射造成了信号振铃现象，如果振铃的幅度过大，一方面可能造成信号电平的误判断，另一方可能会对器件造成损坏。信号到负载端后局部信号会向源端反射，这局部信号由负载端反射系数决定从负载端反射回来的信号经过传输线又传回源端，源端有将其一局部反射回负载端，这局部由源反射系数决定：对于理想的情况，希望在负载端得到的信号没有任何振铃，有三种方法可以到达这样的目的：一是使负载反射系数为0，即，这可以消除信号的一次反射，可以采用负载端并行端接来实现；二是使源端反射系数为0，即，这可以消除信号的二次反射，可以采用源端串行端接来实现；三是使用短线。在信号走线可以认为是短线的情况下，可视为1，信号传输没有幅度衰减与相位时延。优点：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消耗功率小。缺点：当信号逻辑转换时，由于的分压作用，在源端会出现半波幅度的信号，会出现不正确的逻辑态。并且由于在信号通路上加接了元件，增加了RC时间常数从而减缓了负载端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路如高速时钟等。简单并行端接在输出为高电平状态时，这种并行端接电路消耗的电流过大，对于50的端接负载，维持TTL高电平消耗电流高达48mA，因此一般器件很难可靠地支持这种端接电路。其他信号反射原因：印制板电路中的过孔走线分支点走线拐点5、串扰及其改善串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰。串扰的改善方法地平面在串扰的问题上起着至关重要的作用拉大两条信号线之间的距离，减小耦合程度相邻信号层信号尽量相互垂直或成一定的角度高速信号线尽量走在贴近地平面的信号层里，以减小走线与地平面之间的距离减小高速信号走线的长度，否那么高速信号附近的会有更多的信号受其影响在速度满足要求的前提下，使用上升沿较缓的驱动器6、地弹及其改善由于输出信号的翻转导致芯片内部参考地电压的飘移叫做地弹接地反弹的噪声主要是源自于电源路径以及IC封装所造成的分布电感。当器件输出信号有翻转时，就会产生噪声短脉冲。当系统的速度越快或同时转换逻辑状态的I/O管脚个数越多时就越容易造成接地反弹。地弹的改善方法接地反弹与引线电感成正比，所以应尽量减少分布电感量地弹与负载电容成正比，所以应该尽量采用输入电容较小的器件地弹与成正比，所以应尽量采用上升沿变化缓的器件地弹与管脚数N成正比，所以在实际的数字系统中应尽量防止地址/数据总线出现由FFFF变成0000的情况2rTV1、电路调试与测试原因随着数字系统规模的增大、复杂程度的提高，电路测试及可靠性设计变得越来越重要。为实现复杂系统的有效测试所花费的时间通常比完成功能设计的时间还要长目前器件的管脚数高达1000，不远的将来要增加到2000，4000与更高。使用这些高集成度的封装导致超密，超复杂的系统都挤在一个20层的使用微过孔与内建build-up技术的电路板上。系统设计中的最根本要求之一就是系统的可测试性2、电路的可测性可测试性指的是产品能及时准确地确定其状态可工作、不可工作、性能下降与隔离其内部故障的设计特性。电路板的可测性是指电路板调试过程中集成电路芯片功能的可测性与电路板上电路功能可测性集成电路的可测试性方法有多种：针对性可测试性设计方法、扫描路径法、内建自测试、边界扫描技术等对电路板级可测性设计的一些考虑信号探测点子系统的独立性手工复位跳线与拨码开关有三个概念应当始终贯穿在电路设计过程中：能见度Visibility简化度Simplicity灵活性Flexibility3、JTAG测试电路JTAG测试电路遵循IEEE 1149.1-1990标准，即IEEE的标准测试访问端口与边界扫描构造。由联合测试行动组(Joint Test Action Group, JTAG)制定。4、测量仪器测量仪器对于电路调试与测试来说至关重要，高速电路的测量对于以仪器性能指标的要求也更高。高速电路的测试需要考虑仪器对电路的影响高速电路的测量经常使用的仪器有示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪与时域反射分析仪。1、电路板级设计流程创造一个电路板或系统级的电子产品设计的主要步骤有：概念concept：定义技术需求、描述系统行为与决定设计的整体构造原理图设计schematiccapture：通过描述产品功能来获得设计原理图板图设计layout阶段包含确定电路板上器件的最优布局与布线，还需要考虑用于多个电路板之间连接的电缆或者连接器的数量制造manufacture与发布2、设计流程中的仿真验证电路板传统的设计方式是设计然后建立一个物理硬件原型，把它放在测试工作台上进展调试直至可以工作现在对系统工程师与布局布线工程师来说有许多可用的计算机辅助computer-aided仿真验证与分析工具。*模拟信号仿真，*混合信号仿真*可制造性设计(DFM)*射频(RF)*设计规那么检查(DRC)*数字信号仿真*信号完整性(SI)*电气规那么检查(ERC)*焊接/热剖析(profile)*电磁兼容性(EMC)*电磁干扰(EMI)*热*时序*机械特性振动、冲击、受压，*可靠性第 11 页仿真模型包括数字器件的VHDL，Verilog，C模型；器件驱动与负载的IBIS模型；电源开关放大器，稳压器，二极管与三极管，混合信号模数转化器与比拟器的SPICE模型VHDL-AMS混合信号，IEEE1076.1Verilog-A模拟与VerilogAMS混合信号3、通用信号处理机设计指导思想标准化模块化可重构可配置可编程易开发3.1 系统设计的目标基于标准总线的通用信息处理机多处理器并行系统“异构处理器的通用构造高速数据传输能力标准化、模块化、可扩展具有二次开发能力软硬件系统3.2 系统总线设计以C-PCI标准总线技术为根底，配以高速数据传输总线、准确定时总线、以太网的4套总线相结合的并行处理机方案。C-PCI总线提供一个通用的平台，在本系统中的主要功能有：传送控制信令、上传数据与系统配置。对于大带宽的雷达信号数据，采用高速数据总线传送。在物理上，它由多路开关矩阵Crossbar构成，通过J3J5将各个板卡连接。定时控制总线将必须的时序信号实时地、同步地送到各个DSP上，控制整个系统的工作节奏。 3.4 某通用信号处理板的设计DSP选型4个C6701浮点处理器1个C6202定点处理器主从模式处理能力达8400MIPS或4GFLOPS+2000MIPS数据传输速率160Mbytes/sFPDP、RaceWay构造设计时序设计计算富裕时间tmagin在考虑了器件手册提供的最坏情况之后，得到的时序上的一个建立或保持时间裕量分析系统对富裕时间tmagin的需求其要求往往随不同的系统而各异，而且与布线的情况以及负载的情况密切相关PCB设计热分布设计散热系统的考虑点C6000芯片的板子周围的空气流速环境温度芯片封装与散热片的结合方式/类型电路板的设计与布线建立散热模型散热片的性能曲线测试DSP工作频率测试存储器测试数据传输速率测试PCI总线测试DSP间通信测试输入输出测试DSP全速全资源运行测试