基于Cadence的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)完整性仿真與優(yōu)化

李鵬飛，孟令軍，喬文生，于 磊

(中北大學(xué)a.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件，經(jīng)過30多年的發(fā)展，IC輸出開關(guān)速度不斷提高，電子系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，工作頻率不斷提高，信號(hào)傳輸速度也越來越快，為了保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，出現(xiàn)了對(duì)信號(hào)完整性的考慮和設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。另外，對(duì)低功耗的高速信號(hào)傳輸器件(如FPGA)常見的內(nèi)核電壓為1.2 V，對(duì)外界環(huán)境的要求也越來越高，如系統(tǒng)能容忍的噪聲裕量，這也突出了信號(hào)完整性問題。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或超過50 MHz，信號(hào)傳輸速度較高，延遲等就相對(duì)減少，建立時(shí)間、保持時(shí)間均在皮秒級(jí)［1］，從而增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行信號(hào)完整性的仿真，保證關(guān)鍵信號(hào)的傳輸質(zhì)量，從而得出更為合理的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用具有較強(qiáng)高速信號(hào)仿真功能的Cadence軟件，完成疊層參數(shù)、信號(hào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立以及布線等造成的影響、信號(hào)間的串?dāng)_等。

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，信號(hào)完整性上主要解決3個(gè)問題:對(duì)關(guān)鍵信號(hào)建立正確合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);滿足系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)序間的配合要求(信號(hào)的建立時(shí)間、最小脈寬、保持時(shí)間以及相位疊加等);進(jìn)行信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。本系統(tǒng)采用ADS8508芯片，是一種具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)化和250 kHz高采樣率的ADC芯片，然后將該信號(hào)送到FPGA中，本系統(tǒng)采用的FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列EP2C8Q208。FPGA作為系統(tǒng)的核心組件，控制采集通道的換置、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后在內(nèi)部FIFO中存放等。圖1為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路連接框圖。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路連接框圖

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路選擇、采集、預(yù)處理和編碼功能。模擬信號(hào)源于上游各路傳感器的模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過多路模擬開關(guān)進(jìn)行多路切換選通，將選通的多路信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8508，轉(zhuǎn)換得到的模擬量傳送到采集控制單元(FPGA)中。此外，采集控制單元還對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)嵌的FIFO［2］中等待Ft245讀取。同時(shí)根據(jù)對(duì)FPGA內(nèi)建的寄存器操作來實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的其他功能，如復(fù)位、標(biāo)定等。

2 信號(hào)完整性分析

信號(hào)完整性即信號(hào)在信號(hào)線上的傳輸質(zhì)量。問題的主要根源是信號(hào)上升時(shí)間的減小。即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持不變，如果采用了信號(hào)上升時(shí)間很小的IC芯片，現(xiàn)有設(shè)計(jì)也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。在高速數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中主要考慮的信號(hào)完整性問題包括布線、阻抗匹配、串?dāng)_等。

2.1 布線

布線對(duì)信號(hào)完整性的影響主要包括延時(shí)和容性負(fù)載反射。實(shí)際操作中PCB布線會(huì)遇經(jīng)過孔、焊盤、短的stub線等，這樣會(huì)不可避免地引起PCB布線長短的不一致，造成信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)。此外，布線與過孔等相互之間均會(huì)產(chǎn)生寄生電容，必然對(duì)信號(hào)造成影響。走線中途的電容對(duì)信號(hào)的影響要從發(fā)射端和接受端兩個(gè)方面分析，對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)都有影響。因此發(fā)生容性負(fù)載反射，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響。

在高速信號(hào)中傳輸信號(hào)，延時(shí)是影響信號(hào)完整性的一個(gè)考慮因素，在電子系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸信號(hào)在PCB走線上的延時(shí)超過相應(yīng)信號(hào)的最小建立時(shí)間、最小脈寬、保持時(shí)間以及相位疊加等就會(huì)造成時(shí)序錯(cuò)誤，造成信號(hào)傳輸質(zhì)量下降。信號(hào)傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)?，F(xiàn)今常見的PCB材料為FR4，其傳輸速度可達(dá)180 ps/in(1 in=2.54 cm)。對(duì)于同一塊高速信號(hào)傳輸?shù)腜CB板，解決延遲問題可以通過以下途徑:縮短信號(hào)收發(fā)端間的布線距離;對(duì)于時(shí)序相關(guān)的信號(hào)線布線長延時(shí)相差不能超過最小建立保持時(shí)間、最小脈寬以及保持時(shí)間等，從而保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。

在信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)遇到寄生電容時(shí)，電容會(huì)快速充電，充電電流和信號(hào)電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為:I=C×dV/dt。在電容充電初期，阻抗很小，小于走線的特性阻抗［3］。信號(hào)在電容處發(fā)生負(fù)反射，這個(gè)負(fù)電壓信號(hào)和原信號(hào)疊加，使得發(fā)射端的信號(hào)產(chǎn)生下沖，引起發(fā)射端信號(hào)的非單調(diào)性。同理，信號(hào)到達(dá)接收端后，發(fā)生正反射，反射回來的信號(hào)到達(dá)電容位置，同樣發(fā)生負(fù)反射，反射回接收端的負(fù)反射電壓同樣使接收端信號(hào)產(chǎn)生下沖。

2.2 阻抗匹配

阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。信號(hào)傳輸過程中負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗(模與輻角分別相等)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

驅(qū)動(dòng)源輸出信號(hào)，經(jīng)過的互連線可以等效為一個(gè)具有阻抗的網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)利用阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳播時(shí)，互連線構(gòu)成的阻抗網(wǎng)絡(luò)會(huì)隨著信號(hào)的電壓、電流變化引起瞬態(tài)阻抗的變化。這樣會(huì)造成信號(hào)相位疊加的不一致性，造成部分能量會(huì)被反射，剩余的能量仍會(huì)繼續(xù)傳輸。因此，在高頻電路中合適的阻抗匹配是保證信號(hào)完整性不可缺少的一個(gè)考慮因素。

2.3 串?dāng)_

信號(hào)串?dāng)_是信號(hào)高速傳輸時(shí)，沒有電氣連接的信號(hào)線之間的電壓和電流感應(yīng)產(chǎn)生的電磁耦合現(xiàn)象，即能量傳輸網(wǎng)絡(luò)間的耦合，造成高速信號(hào)傳輸上的失真。信號(hào)線之間的電壓和電流感應(yīng)產(chǎn)生的耦合可以等效為天線，產(chǎn)生交變磁場，處于磁場作用區(qū)域范圍之內(nèi)的其他信號(hào)線會(huì)感應(yīng)出信號(hào)電壓。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

多路信號(hào)采集系統(tǒng)采用Cadence中的SigXplorer軟件對(duì)進(jìn)行信號(hào)完整性仿真及優(yōu)化。為了驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，對(duì)系統(tǒng)前端信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、多路選擇、信號(hào)隔離前后進(jìn)行分步仿真研究，實(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào)變化。

3.1 布線對(duì)信號(hào)完整性影響

多路信號(hào)采集系統(tǒng)中采用的模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片為ADS8508，PCB板設(shè)計(jì)時(shí)為保證單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量應(yīng)盡量減少布線造成的延時(shí)，保證信號(hào)的完整性。本系統(tǒng)采用ADS8508芯片，當(dāng)ADS8508正常工作時(shí)轉(zhuǎn)化得到的數(shù)字信號(hào)在FPGA發(fā)出的Dataclk信號(hào)下降沿傳送［4］。因此，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)Dataclk進(jìn)行信號(hào)完整性仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別選取布線長度 100 mil(1 mil=0.025 4 mm)，1 000 mil，1 000 mil布線寬度為5 mil，8 mil，5 mil進(jìn)行信號(hào)完整性測試比較。

圖2為ADS8508到FPGA布線的Dataclk信號(hào)中利用SigXplorer軟件對(duì)進(jìn)行仿真原理圖。圖3為ADS8508到FPGA布線的Dataclk信號(hào)中利用SigXplorer軟件對(duì)進(jìn)行仿真波形整體比較圖。由圖3可知，布線長度越長信號(hào)的質(zhì)量越差，布線長度為100 mil、寬度為5 mil時(shí)，信號(hào)延時(shí)約為3.224 ns;布線長度為1 000 mil、寬度為8 mil，信號(hào)延時(shí)約為8.691 ns;布線長度為1 000 mil、布線寬度為5 mil時(shí)，信號(hào)延時(shí)約為16.681 ns，信號(hào)失真最大。

圖2 Dataclk信號(hào)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(截圖)

根據(jù)圖2、圖3可知，U69為ADS8508發(fā)出的信號(hào)波形圖，U69i為PCB布線理想狀態(tài)下0 mil時(shí)信號(hào)波形圖，U512為ADS8508將信號(hào)傳遞給FPGA第77引腳信號(hào)波形圖，假定布線10 000 mil時(shí)信號(hào)波形圖，此時(shí)信號(hào)失真較小。IOP3為PCB布線50 000 mil時(shí)信號(hào)波形圖，IOP2為PCB布線100 000 mil時(shí)信號(hào)波形圖，顯然PCB布線越長信號(hào)延時(shí)越大、完整性越差。

3.2 阻抗匹配大小對(duì)信號(hào)完整性

阻抗匹配(Impedance matching)主要用于傳輸線上，來達(dá)至所有高頻的微波信號(hào)皆能傳至負(fù)載點(diǎn)的目的，不會(huì)有信號(hào)反射回來源點(diǎn)，從而提升信號(hào)完整性以及電磁兼容性。

圖3 Dataclk信號(hào)仿真波形圖(截圖)

在多路數(shù)據(jù)信號(hào)隔離采集系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是通過改變阻抗力來進(jìn)行比較。要匹配一組線路，首先把負(fù)載點(diǎn)的阻抗值、傳輸線的特性阻抗值進(jìn)行歸一化。通過不同阻抗匹配比較，給出阻抗匹配對(duì)信號(hào)的影響程度，信號(hào)傳輸過程中負(fù)載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。

圖4為晶振Clk信號(hào)到FPGA布線的中利用SigX-plorer軟件對(duì)進(jìn)行阻抗匹配仿真原理圖。圖5為晶振Clk信號(hào)到FPGA布線的中利用SigXplorer軟件對(duì)進(jìn)行阻抗匹配仿真下降沿放大波形圖。

由圖4、圖5可知，阻抗匹配越大信號(hào)的質(zhì)量越差，阻抗匹配為10 kΩ時(shí)，信號(hào)衰減最明顯，幅度小于1 V。

圖6為ADS8508的Dataclk信號(hào)到FPGA布線的中利用SigXplorer軟件對(duì)進(jìn)行信號(hào)串?dāng)_仿真原理圖。

圖7為ADS8508的Dataclk信號(hào)到FPGA布線的中利用SigXplorer軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行串?dāng)_仿真整體波形放大圖。

圖4 Clk信號(hào)阻抗匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(截圖)

圖5 Clk信號(hào)阻抗匹配下降沿放大波形圖(截圖)

圖6 Dataclk信號(hào)串?dāng)_拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(截圖)

由圖6、圖7可知，信號(hào)單獨(dú)走線的質(zhì)量遠(yuǎn)比信號(hào)相互間串?dāng)_走線高。信號(hào)U512為單獨(dú)走線，IOP2/3/4為互相并行走線［5］，顯然當(dāng)信號(hào)并行走線時(shí)，信號(hào)完整性較差。只要有電流的存在，就會(huì)有磁場存在;電流發(fā)生變化，磁場也發(fā)生變化，電磁兼容性就降低。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用FPGA作為控制核心單元進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)信號(hào)完整性相關(guān)知識(shí)的了解，利用EDA工具(Cadence)對(duì)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化，分析和解決了實(shí)際電路中常見的幾種信號(hào)完整性問題。通過對(duì)高速采集電路板級(jí)關(guān)鍵信號(hào)的仿真與優(yōu)化，解決信號(hào)完整性、電磁干擾等問題，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量，保證了數(shù)據(jù)采集的精度。

圖7 Dataclk信號(hào)串?dāng)_仿真波形放大圖(截圖)

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