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高速DSP數(shù)據(jù)采集的信號(hào)完整性問(wèn)題
摘要：深入研究高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問(wèn)題；分析電路中破壞信號(hào)完整性的原因；結(jié)合一個(gè)實(shí)際的ＤＳＰ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、闡述實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的具體方案。關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性 ADSP21161 數(shù)據(jù)采集 噪聲控制
引言
當(dāng)前，日漸精細(xì)的半導(dǎo)體工藝使得晶體管尺寸越來(lái)越小，因而器件的信號(hào)跳變也就越來(lái)越快，高速數(shù)字系統(tǒng)的快斜率瞬變和極高的工作頻率，以及很大的電路密集度，導(dǎo)致高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的信號(hào)完整性問(wèn)題以及電磁兼容性問(wèn)題日趨嚴(yán)重。破壞了信號(hào)完整性將直接導(dǎo)致信號(hào)失真、定時(shí)錯(cuò)誤，以及產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)，從而千萬(wàn)系統(tǒng)誤工作甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，信號(hào)完整性問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越引起高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。
１ 信號(hào)完整性問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理
信號(hào)完整性的問(wèn)題主要包括傳輸線效應(yīng)，如反射、時(shí)延、振鈴、信號(hào)的過(guò)程與下沖以及信號(hào)之間的串?dāng)_等，涉及傳輸線上的信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)定時(shí)的準(zhǔn)確性。
良好的信號(hào)質(zhì)量是確保穩(wěn)定時(shí)序的關(guān)鍵。由于反射和串?dāng)_造成的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題都很可能帶來(lái)時(shí)序的偏移和紊亂。例如，串?dāng)_會(huì)影響信號(hào)的傳播延遲，導(dǎo)致在時(shí)鐘的上升沿或下降沿處采不到準(zhǔn)確的邏輯；反射會(huì)造成數(shù)據(jù)信號(hào)在邏輯門限附近波動(dòng)，從而影響信號(hào)上升沿或下降沿變化；時(shí)鐘走線的干擾會(huì)造成一定的時(shí)鐘偏移。
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信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)是最重要的高速ＰＣＢ板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)分析與設(shè)計(jì)手段，在硬件電路設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的作用。一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)能否正確工作，其關(guān)鍵在于信號(hào)定時(shí)是否準(zhǔn)確。信號(hào)定時(shí)和信號(hào)在傳輸線上的傳輸延遲與信號(hào)波形的損壞程度密切相關(guān)。信號(hào)傳輸延遲和波形破損的原因復(fù)雜多樣，但主要是以下三種原因破壞了信號(hào)的完整性。
①電源、地址噪聲。它主要是源自于電源路徑以及ＩＣ封裝所造成的分布電感的存在。當(dāng)系統(tǒng)的速度愈快，同時(shí)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)的Ｉ／Ｏ引腳個(gè)數(shù)愈多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致電源線上和地線睥電壓波動(dòng)和變化，這就是平進(jìn)所說(shuō)的接地反彈。接地反彈是數(shù)字系統(tǒng)的幾個(gè)主要噪聲來(lái)源之一。接地反彈的噪聲常見(jiàn)的現(xiàn)象是，會(huì)造成系統(tǒng)的邏輯運(yùn)作產(chǎn)生誤動(dòng)作，尤其近年來(lái)日益風(fēng)行的3.3V邏輯家族。
②串?dāng)_。信號(hào)在沿著傳輸線傳輸時(shí)，是以電磁波的形式傳輸?shù)�。電磁波包含時(shí)變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。因?yàn)殡姶艌?chǎng)的能量主要是在傳輸線的外部，根據(jù)麥克斯韋方程知道，時(shí)變場(chǎng)會(huì)在周圍的傳輸線產(chǎn)生電壓和電流。那么對(duì)受到干擾的傳輸線而言，這個(gè)電壓和電流就是由串?dāng)_造成的。串?dāng)_主要源自兩相鄰導(dǎo)體之間所形成的互感與互容。串?dāng)_會(huì)隨著印刷電路板的繞線布局密度增加而越顯嚴(yán)重，尤其是長(zhǎng)距離總線的布局，更容易發(fā)生串?dāng)_的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是經(jīng)由互容互感將能量由一個(gè)傳輸線耦合到相鄰傳輸線上的。
③反射。反射現(xiàn)象的原因是：信號(hào)傳輸線的兩端沒(méi)有適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ�，印刷電路板上的分支布局產(chǎn)生特性阻抗的斷點(diǎn)，過(guò)孔的尺寸以及其它互連所造成的阻抗不連續(xù)。所謂特性阻抗是定義為，“當(dāng)導(dǎo)線上流經(jīng)有高頻信號(hào)時(shí)，所呈現(xiàn)的電壓／電流比值”。那么對(duì)于確定的傳輸線而言，其特性阻抗為一個(gè)常數(shù)。信號(hào)的反射現(xiàn)象就是因?yàn)樾盘?hào)的驅(qū)動(dòng)端和傳輸線的特性阻抗以及接收端的阻抗不一致所造成的。
２ 保證信號(hào)完整性的方法
２．１ 抑制接地反彈
通過(guò)以上分析可知，電源路么以及ＩＰ封裝所造成的分布電感是決定接地反彈的關(guān)鍵之一。要抑制接地反彈的影響，首先是減少ＩＣ封裝的分布電感。在考慮ＩＣ引腳的配置圖時(shí)，就應(yīng)該將時(shí)鐘脈沖信號(hào)或數(shù)據(jù)／地址總線的引腳位置擺放在較靠近芯片的地方。其次，是采用分布電感量較小的ＩＣ封裝技術(shù)。表１列舉了幾種常見(jiàn)的ＩＣ封裝技術(shù)的分布電感量，可以看出表面貼片的封裝技術(shù)通常會(huì)比ＤＩＰ封裝技術(shù)少３０％的接地反彈；然后是降低印刷電路板端的分布電感量。由于電感與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比，與寬度成反比，所以在高速數(shù)字系統(tǒng)里大都采用多層板。其中會(huì)在里層擺放一個(gè)或一個(gè)以上的接地層，接地層面積相當(dāng)寬廣，目的旨在減少其地端回路的電感量。另外，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免讓某個(gè)邏輯門驅(qū)動(dòng)太多的負(fù)載。因?yàn)樵跀?shù)字電路若有多個(gè)并聯(lián)的邏輯裝置�？傒斎腚娙菔菍⒚總�(gè)邏輯裝置的輸入電容直接相加。
表1 幾種IC封裝技術(shù)的分布電感與電容
２．２ 解決串?dāng)_問(wèn)題
信號(hào)之間由于電磁場(chǎng)的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號(hào)稱為信號(hào)串?dāng)_。“串?dāng)_”主要是源自兩相領(lǐng)導(dǎo)體之間的所形成的互感和互容。串?dāng)_超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。下面分別探討互容、互感與串?dāng)_的關(guān)系，以及如何解決串?dāng)_問(wèn)題。
（１）電容耦合
串?dāng)_＝(ＺbCm)/tr
式中，Ｚb為受擾線的特性阻抗；Ｃm為互容；tr為輸入到干擾線的入射電壓之上升時(shí)間。
要改善互容產(chǎn)生的串?dāng)_，可以從兩個(gè)方面著手。一是減少互容Ｃm,做法是在兩相鄰的傳輸線中間加進(jìn)屏蔽措施。通常，在兩個(gè)銅箔通路中加裝一個(gè)接地屏蔽通路，用以改善互容的干擾。二是在時(shí)序規(guī)定允許的情況下，增加轉(zhuǎn)態(tài)較頻繁的信號(hào)之上升時(shí)間。
改善互感所產(chǎn)生的串?dāng)_，惟有減少流經(jīng)互感的電流所形成的回路面積才是較為簡(jiǎn)易可行的辦法。可以借助降低導(dǎo)線與接地平面之間的距離，減小并行信號(hào)長(zhǎng)度，縮短信號(hào)層與平面層的間距，增大信號(hào)線間距等措施，來(lái)減少兩導(dǎo)線的互感量。
２．３ 改善反射
反射是產(chǎn)生干擾的幾個(gè)重要來(lái)源之一。為改善因線路的阻抗不匹配而造成反射的現(xiàn)象，可以選擇采用“布線拓?fù)洹焙汀敖K端技巧”的辦法。
利用適當(dāng)?shù)牟季�拓?fù)浞▉?lái)改善反射現(xiàn)象，通常不需要增添額外的電子組件（例如，終端電阻或者鉗位二極管）。常見(jiàn)的布線拓?fù)浞ㄓ校捶N，分別是樹狀法、菊鏈法、星狀法和回路法，如圖１所示。其中樹狀法是最差的布線法，它所造成的反射量最大，額外的負(fù)載效應(yīng)和振鈴現(xiàn)象都需要加費(fèi)心來(lái)處理；就“反射”的觀點(diǎn)，菊鏈法是較佳的布線法。菊鏈法相當(dāng)適合于地址或者數(shù)據(jù)總線以及并聯(lián)終端的布線，基本上是沒(méi)有分支旁路的。星狀法適合串聯(lián)終端的布線，但條件是輸出緩沖器（驅(qū)動(dòng)器）必須是低輸出阻抗以及具有較高的驅(qū)動(dòng)能量�；芈贩ɑ旧吓c菊鏈法類似，但是回路法會(huì)耗費(fèi)較多的回路面積，對(duì)于共模噪聲的免疫能力較差。
除了布線拓?fù)浞�，為克服反射現(xiàn)象的干擾，“終端技巧”是最有效的方法。傳輸線的特性阻抗一般是定值。對(duì)于ＣＭＯＳ電路而方，信號(hào)的驅(qū)動(dòng)端的輸出阻抗比較小，為幾十Ω，而接收端的輸入阻抗比較大�？梢栽谛盘�(hào)最后的接收端匹配一個(gè)電阻（在接收端并聯(lián)一個(gè)電阻），這樣匹配和接收端并聯(lián)的結(jié)果就可以和傳輸線的特性阻抗相匹配了，信號(hào)的性能得到了比較好的改善。終端技巧的目的旨在提供一個(gè)完全阻抗匹配的傳輸線環(huán)境以及保持電位的穩(wěn)定。
３ 高速ＤＳＰ系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析
下面結(jié)合一個(gè)實(shí)際的ＤＳＰ高速圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，闡述一下信號(hào)完整性問(wèn)題的產(chǎn)生以及具體的解決方案。
整個(gè)ＤＳＰ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：模擬前端ＣＣＤ數(shù)據(jù)采集板、ＣＣＤ控制板和數(shù)據(jù)處理主控制ＤＳＰ板。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)ＵＳＢ2.0接口傳入上行ＰＣ機(jī)，如圖２所示。
模擬前端ＣＣＤ數(shù)據(jù)采集板由ＣＣＤ掃描器件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器件Ａ／Ｄ構(gòu)成。光源照射到稱之為ＣＣＤ（ＣhargeCoupled Device，電荷耦合器件）的光敏元件上實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。由于要掃描的膠片上不透明的區(qū)域透射的光較少，透明的區(qū)域透射的光較多，而ＣＣＤ器件可以檢測(cè)圖像上不同區(qū)域透射的不同強(qiáng)度的光。ＣＣＤ掃描器件將膠片掃描，并將ＲＧＢ三色信號(hào)分別變成三路模擬信號(hào)送到Ａ／Ｄ進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成ＲＧＢ數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)處理板處理。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器件Ａ／Ｄ的采樣精度、對(duì)采樣信號(hào)的抗噪聲處理，都影響到采集信號(hào)的完整性，直接影響后續(xù)處理板的處理效果。我們采用的Ａ／Ｄ是１６位１５Ｍsps的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，主要對(duì)ＣＣＤ采集的三色電平信號(hào)采樣成數(shù)字信號(hào)。有三個(gè)輸入通道，分別對(duì)應(yīng)ＣＣＤ器件的Ｒ、Ｇ、Ｂ信號(hào)輸出。每個(gè)通道都由輸入ＣＬＡＭＰ、雙校正采樣器ＣＤＳ、偏移ＤＡＣ和可編程的增益放大器ＰＧＡ構(gòu)成。這樣就復(fù)合成了一個(gè)高效的１６位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，在精度上可以滿足要求。同時(shí)，為了減少ＣＣＤ在采樣模擬信號(hào)時(shí)把外界的噪聲耦合到系統(tǒng)，在電路設(shè)計(jì)上采用光電耦合器件對(duì)ＲＧＢ三路信號(hào)進(jìn)行隔離。
ＣＣＤ控制板以ＣＰＬＤ為核心。ＣＰＬＤ接收ＤＳＰ的控制信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制總線和數(shù)據(jù)總線，控制ＣＣＤ采集板同ＤＳＰ板進(jìn)行握手方式傳輸數(shù)據(jù)。這部分采用異步方式工作，速率可以通過(guò)可編程的等待周期和器件的應(yīng)答信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到信號(hào)的完整性要求。
數(shù)據(jù)處理主控制ＤＳＰ板，是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字信號(hào)作校正處理，并通過(guò)ＵＳＢ2.0接口將圖像數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)由ＡＤＳＰ２１１６１、ＣＰＬＤ�。牛校停罚保玻福粒�、１６位的ＳＤＲＡＭ、Ｆlash芯片ＡＭ２９Ｆ０４０、ＵＳＢ接口控制器ＣＹ７Ｃ６８０１３構(gòu)成，如圖３所示。由于系統(tǒng)工作在很高的時(shí)鐘頻率上，所以這部分的信號(hào)完整性問(wèn)題就顯得十分重要了。
主控制ＤＳＰ板中不僅有高速部分，也有異步的低速部分，所以要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行侵害。分割的目的是要重點(diǎn)保護(hù)高速部分。ＤＳＰ與ＵＳＢ２.０控制芯片、ＳＤＲＡＭ接口是同步高速接口，對(duì)它的處理是保證信號(hào)完整性的關(guān)鍵；與Ｆlash、ＣＰＬＤ接口采用異步接口，速率可以通過(guò)可編程的等待周期和硬件應(yīng)答信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到信號(hào)的完整性要求。
高速設(shè)計(jì)部分要求信號(hào)線盡量短，盡量靠近ＤＳＰ器件。但是，如果將ＤＳＰ的信號(hào)線直接接到所有的外設(shè)上，一方面ＤＳＰ的驅(qū)動(dòng)能力可能達(dá)不到要求，另一方面由于信號(hào)布線長(zhǎng)度的急劇增加，必然會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題。所以，在該系統(tǒng)中具體的處理辦法是，將高速器件與異步低速器件進(jìn)行隔離。在這里采用７４ＬＳ２４５實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，利用準(zhǔn)確的選擇邏輯將不同類型數(shù)據(jù)分開(kāi)。用７４ＬＳ２４４構(gòu)成地址隔離，同時(shí)還增加了ＤＳＰ的地址驅(qū)動(dòng)能力。這種解決方案可以縮短高速信號(hào)線的傳輸距離，以達(dá)到信號(hào)完整性的要求。
另外，解決好系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的阻抗匹配，防止信號(hào)的反射、串?dāng)_噪聲等問(wèn)題，這時(shí)ＤＳＰ系統(tǒng)正常工作的基本條件之一。ＤＳＰ電路傳輸阻抗應(yīng)與芯片Ｉ／Ｏ腳的輸出阻抗匹配。不匹配會(huì)引起信號(hào)反射，結(jié)果可能造成邏輯混亂。傳輸線越長(zhǎng)，影響越大。通常采樣串接電阻來(lái)改善傳輸線的阻抗匹配，信號(hào)引線長(zhǎng)度應(yīng)盡量小于１５cm。對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)１５cm的引線，在驅(qū)動(dòng)端（源端）和目的端應(yīng)串接３３Ω的匹配電路，避免由于信號(hào)反射引起干擾。在工程實(shí)踐中，我們還采用在接收端接一個(gè)上拉電阻，以改善系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。這是考慮到芯片的高電平驅(qū)動(dòng)能力較差，通過(guò)外接電壓加以補(bǔ)償。
最后，解決ＤＳＰ系統(tǒng)的電源配置和電源裝置的傳導(dǎo)干擾。我們采用的ＡＤＳＰ２１１６１是ＡＤＳＤＰ�。樱龋粒遥孟盗校模樱刑幚砥�，對(duì)系統(tǒng)供電電源的要求都比較嚴(yán)格，電源的抖動(dòng)范圍不超過(guò)５％。芯片內(nèi)核電壓為2.5V，芯片Ｉ／Ｏ口部分采用3.3V供電，而片外的一些常規(guī)集成電路又采用５Ｖ供電。系統(tǒng)采用多種電壓供電無(wú)疑增加了各種電壓之間的串?dāng)_。其中，模擬電源ＡＶＤＤ為ＤＳＰ的時(shí)鐘產(chǎn)生器ＰＬＬ供電，要求比較穩(wěn)定的電源，紋波干擾比較小。因?yàn)�，我們采用磁珠和電容相結(jié)合的高質(zhì)量濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源ＡＶＤＤ濾波。這里的磁珠和電容對(duì)電源紋波有明顯的抑制使用。磁珠在某些高頻區(qū)域內(nèi)，其阻抗急劇上升，從而在特定的頻率區(qū)域可獲得較好的衰減效果，而對(duì)ＤＳＰ的信號(hào)傳輸不會(huì)產(chǎn)生影響。該濾波網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量靠近芯片引腳。為了避免噪聲干擾，模擬地布線還要求盡可能粗。
結(jié)語(yǔ)
本文分析了高速電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問(wèn)題，提出了保證信號(hào)完整性的一些措施，并結(jié)合一個(gè)ＤＳＰ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體分析了實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的方法。該系統(tǒng)現(xiàn)已調(diào)試通過(guò)。實(shí)踐證明，以上保證信號(hào)完整性的措施是必要而且正確的。
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