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高速DSP數(shù)據(jù)采集的信號完整性問題
摘要：深入研究高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的信號完整性問題；分析電路中破壞信號完整性的原因；結(jié)合一個實(shí)際的ＤＳＰ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、闡述實(shí)現(xiàn)信號完整性的具體方案。關(guān)鍵詞：信號完整性 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越小，因而器件的信號跳變也就越來越快，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)域的信號完整性問題以及電磁兼容性問題日趨嚴(yán)重。破壞了信號完整性將直接導(dǎo)致信號失真、定時錯誤，以及產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù)、地址和控制信號，從而千萬系統(tǒng)誤工作甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，信號完整性問題已經(jīng)越來越引起高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。
１ 信號完整性問題產(chǎn)生的機(jī)理
信號完整性的問題主要包括傳輸線效應(yīng)，如反射、時延、振鈴、信號的過程與下沖以及信號之間的串?dāng)_等，涉及傳輸線上的信號質(zhì)量及信號定時的準(zhǔn)確性。
良好的信號質(zhì)量是確保穩(wěn)定時序的關(guān)鍵。由于反射和串?dāng)_造成的信號質(zhì)量問題都很可能帶來時序的偏移和紊亂。例如，串?dāng)_會影響信號的傳播延遲，導(dǎo)致在時鐘的上升沿或下降沿處采不到準(zhǔn)確的邏輯；反射會造成數(shù)據(jù)信號在邏輯門限附近波動，從而影響信號上升沿或下降沿變化；時鐘走線的干擾會造成一定的時鐘偏移。
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信號完整性分析與設(shè)計(jì)是最重要的高速ＰＣＢ板級和系統(tǒng)級分析與設(shè)計(jì)手段，在硬件電路設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的作用。一個數(shù)字系統(tǒng)能否正確工作，其關(guān)鍵在于信號定時是否準(zhǔn)確。信號定時和信號在傳輸線上的傳輸延遲與信號波形的損壞程度密切相關(guān)。信號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，同時轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)的Ｉ／Ｏ引腳個數(shù)愈多時，會產(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和變化，這就是平進(jìn)所說的接地反彈。接地反彈是數(shù)字系統(tǒng)的幾個主要噪聲來源之一。接地反彈的噪聲常見的現(xiàn)象是，會造成系統(tǒng)的邏輯運(yùn)作產(chǎn)生誤動作，尤其近年來日益風(fēng)行的3.3V邏輯家族。
②串?dāng)_。信號在沿著傳輸線傳輸時，是以電磁波的形式傳輸?shù)摹ｋ姶挪ò瑫r變的電場和磁場。因?yàn)殡姶艌龅哪芰恐饕窃趥鬏斁�的外部，根據(jù)麥克斯韋方程知道，時變場會在周圍的傳輸線產(chǎn)生電壓和電流。那么對受到干擾的傳輸線而言，這個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：信號傳輸線的兩端沒有適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ洌∷㈦娐钒迳系姆种Р季之a(chǎn)生特性阻抗的斷點(diǎn)，過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)有高頻信號時，所呈現(xiàn)的電壓／電流比值”。那么對于確定的傳輸線而言，其特性阻抗為一個常數(shù)。信號的反射現(xiàn)象就是因?yàn)樾盘柕尿?qū)動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 保證信號完整性的方法
２．１ 抑制接地反彈
通過以上分析可知，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，就應(yīng)該將時鐘脈沖信號或數(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。其中會在里層擺放一個或一個以上的接地層，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)時應(yīng)盡可能避免讓某個邏輯門驅(qū)動太多的負(fù)載。因?yàn)樵跀?shù)字電路若有多個并聯(lián)的邏輯裝置。總輸入電容是將每個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)_問題
信號之間由于電磁場的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號稱為信號串?dāng)_�！按�?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)電路誤動作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。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間。
要改善互容產(chǎn)生的串?dāng)_，可以從兩個方面著手。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，在兩個銅箔通路中加裝一個接地屏蔽通路，用以改善互容的干擾。二是在時序規(guī)定允許的情況下，增加轉(zhuǎn)態(tài)較頻繁的信號之上升時間。
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，減小并行信號長度，縮短信號層與平面層的間距，增大信號線間距等措施，來減少兩導(dǎo)線的互感量。
２．３ 改善反射
反射是產(chǎn)生干擾的幾個重要來源之一。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▉砀纳品瓷洮F(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)動器）必須是低輸出阻抗以及具有較高的驅(qū)動能量。回路法基本上與菊鏈法類似，但是回路法會耗費(fèi)較多的回路面積，對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。對于ＣＭＯＳ電路而方，信號的驅(qū)動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。可以在信號最后的接收端匹配一個電阻（在接收端并聯(lián)一個電阻），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)的信號完整性分析
下面結(jié)合一個實(shí)際的ＤＳＰ高速圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，闡述一下信號完整性問題的產(chǎn)生以及具體的解決方案。
整個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三色信號分別變成三路模擬信號送到Ａ／Ｄ進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成ＲＧＢ數(shù)字信號，供后續(xù)處理板處理。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器件Ａ／Ｄ的采樣精度、對采樣信號的抗噪聲處理，都影響到采集信號的完整性，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ＣＣＤ采集的三色電平信號采樣成數(shù)字信號。有三個輸入通道，分別對應(yīng)ＣＣＤ器件的Ｒ、Ｇ、Ｂ信號輸出。每個通道都由輸入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)合成了一個高效的１６位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，在精度上可以滿足要求。同時，為了減少ＣＣＤ在采樣模擬信號時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ＲＧＢ三路信號進(jìn)行隔離。
ＣＣＤ控制板以ＣＰＬＤ為核心。ＣＰＬＤ接收ＤＳＰ的控制信號，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，速率可以通過可編程的等待周期和器件的應(yīng)答信號來實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到信號的完整性要求。
數(shù)據(jù)處理主控制ＤＳＰ板，是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對數(shù)字信號作校正處理，并通過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 ＥＰＭ７１２８ＡＥ、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)工作在很高的時鐘頻率上，所以這部分的信號完整性問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，對它的處理是保證信號完整性的關(guān)鍵；與Ｆlash、ＣＰＬＤ接口采用異步接口，速率可以通過可編程的等待周期和硬件應(yīng)答信號來實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到信號的完整性要求。
高速設(shè)計(jì)部分要求信號線盡量短，盡量靠近ＤＳＰ器件。但是，如果將ＤＳＰ的信號線直接接到所有的外設(shè)上，一方面ＤＳＰ的驅(qū)動能力可能達(dá)不到要求，另一方面由于信號布線長度的急劇增加，必然會帶來嚴(yán)重的信號完整性問題。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。用７４ＬＳ２４４構(gòu)成地址隔離，同時還增加了ＤＳＰ的地址驅(qū)動能力。這種解決方案可以縮短高速信號線的傳輸距離，以達(dá)到信號完整性的要求。
另外，解決好系統(tǒng)內(nèi)信號的阻抗匹配，防止信號的反射、串?dāng)_噪聲等問題，這時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。不匹配會引起信號反射，結(jié)果可能造成邏輯混亂。傳輸線越長，影響越大。通常采樣串接電阻來改善傳輸線的阻抗匹配，信號引線長度應(yīng)盡量小于１５cm。對于長度超過１５cm的引線，在驅(qū)動端（源端）和目的端應(yīng)串接３３Ω的匹配電路，避免由于信號反射引起干擾。在工程實(shí)踐中，我們還采用在接收端接一個上拉電阻，以改善系統(tǒng)的驅(qū)動能力。這是考慮到芯片的高電平驅(qū)動能力較差，通過外接電壓加以補(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�，對系統(tǒng)供電電源的要求都比較嚴(yán)格，電源的抖動范圍不超過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疑增加了各種電壓之間的串?dāng)_。其中，模擬電源ＡＶＤＤ為ＤＳＰ的時鐘產(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)對電源ＡＶＤＤ濾波。這里的磁珠和電容對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ＤＳＰ的信號傳輸不會產(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
本文分析了高速電路設(shè)計(jì)中的信號完整性問題，提出了保證信號完整性的一些措施，并結(jié)合一個ＤＳＰ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體分析了實(shí)現(xiàn)信號完整性的方法。該系統(tǒng)現(xiàn)已調(diào)試通過。實(shí)踐證明，以上保證信號完整性的措施是必要而且正確的。
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